Proceso de producción de electrodos de grafito

El electrodo de grafito es un material conductor de grafito resistente a altas temperaturas producido a partir de coque de petróleo, coque de aguja como agregado y betún de carbón como aglutinante, que se producen a través de una serie de procesos tales como amasado, moldeo, tostado, impregnación, grafitización y procesamiento mecánico.

El electrodo de grafito es un material conductor de alta temperatura fundamental para la producción de acero mediante electrólisis. Este electrodo se utiliza para suministrar energía eléctrica al horno eléctrico, y la alta temperatura generada por el arco entre el extremo del electrodo y la carga actúa como fuente de calor para fundir la carga en la fabricación de acero. Otros hornos de fundición de minerales, como fósforo amarillo, silicio industrial y abrasivos, también emplean electrodos de grafito como materiales conductores. Las excelentes y especiales propiedades físico-químicas de los electrodos de grafito hacen que se utilicen ampliamente en otros sectores industriales.
Las materias primas para la producción de electrodos de grafito son el coque de petróleo, el coque de aguja y la brea de alquitrán de hulla.

El coque de petróleo es un producto sólido inflamable que se obtiene a partir de los residuos del carbón coquizable y la brea de petróleo. Es de color negro y poroso, su elemento principal es el carbono y su contenido de cenizas es muy bajo, generalmente inferior al 0,5 %. El coque de petróleo pertenece a la clase de carbono fácilmente grafitizable. Tiene una amplia gama de usos en las industrias química y metalúrgica. Es la principal materia prima para la producción de grafito artificial y productos de carbono para la producción de aluminio electrolítico.

El coque de petróleo se puede clasificar en dos tipos: coque crudo y coque calcinado, según la temperatura del tratamiento térmico. El coque crudo, obtenido mediante coquización retardada, contiene una gran cantidad de volátiles y presenta baja resistencia mecánica. El coque calcinado se obtiene mediante la calcinación del coque crudo. La mayoría de las refinerías en China producen únicamente coque, y las operaciones de calcinación se realizan principalmente en plantas de carbón.

El coque de petróleo se puede clasificar en coque con alto contenido de azufre (más del 1,5 %), coque con contenido medio de azufre (entre el 0,5 % y el 1,5 %) y coque con bajo contenido de azufre (menos del 0,5 %). La producción de electrodos de grafito y otros productos de grafito artificial generalmente se realiza con coque de bajo contenido de azufre.

El coque de aguja es un tipo de coque de alta calidad con una textura fibrosa evidente, un coeficiente de expansión térmica muy bajo y fácil grafitización. Al romperse, se puede dividir en tiras delgadas según su textura (la relación de aspecto suele ser superior a 1,75). Bajo un microscopio de polarización se puede observar una estructura fibrosa anisotrópica, por lo que se le denomina coque de aguja.

La anisotropía de las propiedades físico-mecánicas del coque de aguja es muy evidente. Presenta una buena conductividad eléctrica y térmica paralela al eje longitudinal de la partícula, y un bajo coeficiente de dilatación térmica. Durante el moldeo por extrusión, el eje longitudinal de la mayoría de las partículas se alinea con la dirección de extrusión. Por lo tanto, el coque de aguja es la materia prima clave para la fabricación de electrodos de grafito de alta o ultra alta potencia. El electrodo de grafito resultante presenta baja resistividad, un coeficiente de dilatación térmica reducido y una buena resistencia al choque térmico.

El coque de aguja se divide en coque de aguja a base de aceite, producido a partir de residuos de petróleo, y coque de aguja a base de carbón, producido a partir de materias primas de brea de carbón refinada.

El alquitrán de hulla es uno de los principales productos del procesamiento profundo del alquitrán de hulla. Es una mezcla de varios hidrocarburos, negro a alta temperatura, semisólido o sólido a alta temperatura, sin punto de fusión fijo, se ablanda después del calentamiento y luego se funde, con una densidad de 1,25-1,35 g/cm³. Según su punto de reblandecimiento, se divide en asfalto de baja temperatura, de temperatura media y de alta temperatura. El rendimiento del asfalto de temperatura media es del 54-56% del alquitrán de hulla. La composición del alquitrán de hulla es extremadamente compleja, ya que está relacionada con las propiedades del alquitrán de hulla y el contenido de heteroátomos, y también se ve afectada por el sistema de proceso de coquización y las condiciones de procesamiento del alquitrán de hulla. Existen muchos indicadores para caracterizar la brea de alquitrán de hulla, como el punto de reblandecimiento del betún, los insolubles en tolueno (TI), los insolubles en quinolina (QI), los valores de coquización y la reología de la brea de hulla.

El alquitrán de hulla se utiliza como aglutinante e impregnante en la industria del carbono, y su rendimiento influye considerablemente en el proceso de producción y la calidad de los productos de carbono. El asfalto aglutinante suele ser un asfalto modificado de temperatura media con un punto de reblandecimiento moderado, un alto índice de coquización y un alto contenido de resina β. El agente impregnante es un asfalto de temperatura media con un punto de reblandecimiento bajo, un índice de calidad bajo y buenas propiedades reológicas.

La siguiente imagen muestra el proceso de producción de electrodos de grafito en la empresa de carbono.
Calcinación: La materia prima carbonácea se somete a un tratamiento térmico a alta temperatura para eliminar la humedad y los compuestos volátiles que contiene. Este proceso, que mejora sus propiedades culinarias originales, se denomina calcinación. Generalmente, la materia prima carbonácea se calcina utilizando gas y sus propios volátiles como fuente de calor, alcanzando una temperatura máxima de 1250-1350 °C.

La calcinación produce cambios profundos en la estructura y las propiedades fisicoquímicas de las materias primas carbonáceas, principalmente mejorando la densidad, la resistencia mecánica y la conductividad eléctrica del coque, mejorando la estabilidad química y la resistencia a la oxidación del coque, sentando así las bases para el proceso posterior.

Los equipos de calcinación incluyen principalmente calcinadores de tanque, hornos rotatorios y calcinadores eléctricos. El índice de control de calidad de la calcinación establece que la densidad real del coque de petróleo no debe ser inferior a 2,07 g/cm³ y la resistividad no debe ser superior a 550 μΩ·m; la densidad real del coque de aguja no debe ser inferior a 2,12 g/cm³ y la resistividad no debe ser superior a 500 μΩ·m.
Trituración de materia prima e ingredientes

Antes de la dosificación, el coque de petróleo calcinado a granel y el coque de aguja deben triturarse, molerse y tamizarse.

La trituración intermedia se suele llevar a cabo mediante equipos de trituración de unos 50 mm, como una trituradora de mandíbulas, una trituradora de martillos, una trituradora de rodillos, etc., para triturar aún más el material de tamaño entre 0,5 y 20 mm necesario para la dosificación.

La molienda es un proceso que consiste en triturar un material carbonáceo hasta obtener partículas finas y pulverulentas de 0,15 mm o menos y un tamaño de partícula de 0,075 mm o menos mediante un molino de rodillos anulares de tipo suspensión (molino Raymond), un molino de bolas o similar.

El cribado es un proceso en el que una amplia gama de materiales, tras su trituración, se divide en varios rangos de tamaño de partícula, con un rango de tamaños estrecho, mediante una serie de tamices con aberturas uniformes. La producción actual de electrodos suele requerir de 4 a 5 pastillas y de 1 a 2 grados de polvo.

Los ingredientes son los procesos de producción que implican el cálculo, pesaje y dosificación de los diversos agregados, polvos y aglutinantes según los requisitos de la formulación. La idoneidad científica de la formulación y la estabilidad de la dosificación son factores cruciales que influyen en el índice de calidad y el rendimiento del producto.

La fórmula necesita determinar 5 aspectos:
1. Seleccione el tipo de materia prima;
2 determinar la proporción de diferentes tipos de materias primas;
3. Determinar la composición del tamaño de partícula de la materia prima sólida;
4. Determinar la cantidad de aglutinante;
5. Determinar el tipo y la cantidad de aditivos.

Amasado: Mezclar y cuantificar gránulos y polvos carbonáceos de diversos tamaños de partícula con una cierta cantidad de aglutinante a una temperatura determinada, y amasar la pasta plástica en un proceso llamado amasado.

Proceso de amasado: mezclado en seco (20-35 min) mezclado en húmedo (40-55 min)

El papel del amasado:
1. Al mezclar en seco, las distintas materias primas se mezclan uniformemente, y los materiales carbonosos sólidos de diferentes tamaños de partícula se mezclan y llenan uniformemente para mejorar la compacidad de la mezcla;
2 Después de agregar brea de alquitrán de hulla, el material seco y el asfalto se mezclan uniformemente. El asfalto líquido recubre y humedece uniformemente la superficie de los gránulos para formar una capa de unión asfáltica, y todos los materiales se unen entre sí para formar una pasta plástica homogénea. Favorece el moldeo;
Tres partes de brea de alquitrán de hulla penetran en el espacio interior del material carbonáceo, aumentando aún más la densidad y la cohesión de la pasta.

Moldeo: El moldeo de material de carbono se refiere al proceso de deformación plástica de la pasta de carbono amasada bajo la fuerza externa aplicada por el equipo de moldeo para finalmente formar un cuerpo verde (o producto en bruto) con una forma, tamaño, densidad y resistencia determinados.

Tipos de moldeo, equipos y productos fabricados:
Método de moldeo
Equipo común
productos principales
Moldura
Prensa hidráulica vertical
Carbono eléctrico, grafito de estructura fina de baja calidad
Estrujar
Extrusora hidráulica horizontal
Extrusora de tornillo
Electrodo de grafito, electrodo cuadrado
Moldeo por vibración
Máquina de moldeo por vibración
Ladrillo de carbono de aluminio, ladrillo de carbono de alto horno
Presión isostática
Máquina de moldeo isostático
grafito isotrópico, grafito anisotrópico

Operación de compresión
1. Material refrigerante: material refrigerante para discos, material refrigerante para cilindros, materiales refrigerantes para mezcla y amasado, etc.
Elimine los volátiles, reduzca a una temperatura adecuada (90-120 °C) para aumentar la adhesión, de modo que la consistencia de la pasta sea uniforme durante 20-30 minutos.
2 Carga: presionar el deflector de elevación —– 2-3 veces cortar—-4-10MPa compactación
3. Pre-presión: presión de 20-25 MPa, tiempo de 3-5 min, mientras se realiza el vacío.
4. Extrusión: presione el deflector —extrusión de 5-15 MPa— corte — en el disipador de calor

Parámetros técnicos de extrusión: relación de compresión, temperatura de la cámara de prensa y de la boquilla, temperatura de enfriamiento, tiempo de presión de precarga, presión de extrusión, velocidad de extrusión, temperatura del agua de enfriamiento.

Inspección de cuerpos verdes: densidad aparente, golpeteo de apariencia, análisis

Calcinación: Es un proceso en el que el cuerpo verde del producto de carbono se introduce en un horno de calentamiento especialmente diseñado, bajo la protección de un relleno, para realizar un tratamiento térmico a alta temperatura que carboniza el betún de carbón en el cuerpo verde. El coque bituminoso formado tras la carbonización del betún de carbón solidifica el agregado carbonáceo y las partículas de polvo, y el producto de carbono calcinado tiene alta resistencia mecánica, baja resistividad eléctrica, buena estabilidad térmica y estabilidad química.

La calcinación es uno de los procesos principales en la producción de productos de carbono, y también una parte importante de los tres procesos principales de tratamiento térmico en la producción de electrodos de grafito. El ciclo de producción por calcinación es largo (22-30 días para el horneado, 5-20 días para el segundo horneado en hornos) y requiere un alto consumo de energía. La calidad del tostado inicial influye en la calidad del producto final y en el costo de producción.

El alquitrán de carbón verde en el cuerpo verde se coquiza durante el proceso de tostado, y se descarga aproximadamente el 10% de la materia volátil, y el volumen se produce por una contracción del 2-3%, y la pérdida de masa es del 8-10%. Las propiedades físicas y químicas del lingote de carbono también cambiaron significativamente. La porosidad disminuyó de 1,70 g/cm3 a 1,60 g/cm3 y la resistividad disminuyó de 10000 μΩ·m a 40-50 μΩ·m debido al aumento de la porosidad. La resistencia mecánica del lingote calcinado también fue grande. Para mejorar.

El horneado secundario es un proceso en el que el producto calcinado se sumerge y luego se calcina para carbonizar la brea incrustada en los poros del producto calcinado. Los electrodos que requieren una mayor densidad aparente (todas las variedades excepto RP) y las piezas en bruto para juntas deben someterse a un horneado secundario, y las piezas en bruto para juntas también se someten a un horneado de tres inmersiones y cuatro etapas o de dos inmersiones y tres etapas.

Tipo de horno principal del tostador:
Funcionamiento continuo: horno de anillo (con tapa, sin tapa), horno de túnel.
Funcionamiento intermitente: horno inverso, tostador bajo el suelo, tostador de caja.

Curva de calcinación y temperatura máxima:
Tostado único: 320, 360, 422, 480 horas, 1250 °C
Tostado secundario: -125, 240, 280 horas, 700-800 °C

Inspección de productos horneados: aspecto, golpeteo, resistividad eléctrica, densidad aparente, resistencia a la compresión, análisis de la estructura interna.

La impregnación es un proceso en el que se coloca un material de carbono en un recipiente a presión y se introduce brea líquida impregnante en los poros del electrodo del producto bajo ciertas condiciones de temperatura y presión. El objetivo es reducir la porosidad del producto, aumentar su densidad aparente y resistencia mecánica, y mejorar su conductividad eléctrica y térmica.

El proceso de impregnación y los parámetros técnicos relacionados son: tostado del lingote – limpieza de la superficie – precalentamiento (260-380 °C, 6-10 horas) – carga del tanque de impregnación – vacío (8-9 kPa, 40-50 min) – inyección de betún (180-200 °C) – presurización (1,2-1,5 MPa, 3-4 horas) – retorno al asfalto – enfriamiento (dentro o fuera del tanque)

Inspección de productos impregnados: tasa de aumento de peso por impregnación G=(W2-W1)/W1×100%
Una tasa de aumento de peso por inmersión ≥14%
Tasa de aumento de peso del producto impregnado secundario ≥ 9%
Tres productos para mojar con una tasa de aumento de peso ≥ 5%

La grafitización se refiere a un proceso de tratamiento térmico a alta temperatura en el que un producto de carbono se calienta a una temperatura de 2300 °C o más en un medio protector dentro de un horno eléctrico de alta temperatura para convertir una estructura de carbono amorfa en capas en una estructura cristalina de grafito tridimensional ordenada.

Propósito y efecto de la grafitización:
1. Mejora la conductividad y la conductividad térmica del material de carbono (la resistividad se reduce entre 4 y 5 veces, y la conductividad térmica aumenta aproximadamente 10 veces);
2. Mejorar la resistencia al choque térmico y la estabilidad química del material de carbono (coeficiente de expansión lineal reducido entre un 50 % y un 80 %);
3 para mejorar la lubricidad y la resistencia a la abrasión del material de carbono;
4. Elimina las impurezas del escape y mejora la pureza del material de carbono (el contenido de cenizas del producto se reduce del 0,5-0,8% a aproximadamente el 0,3%).

La realización del proceso de grafitización:

La grafitización del material de carbono se lleva a cabo a una temperatura elevada de 2300-3000 °C, por lo que en la industria solo se puede realizar mediante calentamiento eléctrico. Es decir, la corriente pasa directamente a través del producto calcinado calentado, y este producto, introducido en el horno, se calienta a alta temperatura mediante la aplicación de dicha corriente eléctrica. El conductor es, a su vez, un objeto que se calienta a alta temperatura.

Los hornos más utilizados actualmente incluyen los hornos de grafitización Acheson y los hornos de cascada de calor interna (LWG). El primero tiene una gran producción, una gran diferencia de temperatura y un alto consumo de energía. El segundo tiene un tiempo de calentamiento corto, un bajo consumo de energía, una resistividad eléctrica uniforme y no es adecuado para su instalación.

El control del proceso de grafitización se realiza midiendo la curva de potencia eléctrica adecuada para la condición de aumento de temperatura. El tiempo de suministro eléctrico es de 50 a 80 horas para el horno Acheson y de 9 a 15 horas para el horno LWG.

El consumo energético de la grafitización es muy elevado, generalmente entre 3200 y 4800 kWh, y el coste del proceso representa entre el 20 % y el 35 % del coste total de producción.

Inspección de productos grafitizados: inspección visual mediante golpeteo, prueba de resistividad.

Mecanizado: El objetivo del mecanizado de materiales de grafito de carbono es lograr el tamaño, la forma, la precisión, etc., requeridos mediante el corte para fabricar el cuerpo del electrodo y las uniones de acuerdo con los requisitos de uso.

El procesamiento de los electrodos de grafito se divide en dos procesos de procesamiento independientes: el cuerpo del electrodo y la unión.

El proceso de fabricación del cuerpo incluye tres etapas: mandrinado y desbaste de la cara plana del extremo, círculo exterior y cara plana del extremo, y fresado de la rosca. El procesamiento de la junta cónica se puede dividir en seis etapas: corte, cara plana del extremo, cara del cono, fresado de la rosca, perforación del perno y ranurado.

Conexión de las juntas de los electrodos: conexión de junta cónica (tres hebillas y una hebilla), conexión de junta cilíndrica, conexión de protuberancia (conexión macho y hembra).

Control de la precisión del mecanizado: desviación de la conicidad de la rosca, paso de la rosca, desviación del diámetro mayor de la junta (agujero), coaxialidad del agujero de la junta, verticalidad del agujero de la junta, planitud de la cara frontal del electrodo, desviación de cuatro puntos de la junta. Verificar con calibres de anillo y de placa especiales.

Inspección de electrodos terminados: precisión, peso, longitud, diámetro, densidad aparente, resistividad, tolerancia de preensamblaje, etc.