الکترود گرافیتی یک ماده رسانای گرافیتی مقاوم در برابر دمای بالا است که توسط خمیر نفت، کک سوزنی به عنوان سنگدانه و قیر زغال سنگ به عنوان چسب تولید میشود و از طریق مجموعهای از فرآیندهای مانند ورز دادن، قالبگیری، کباب کردن، اشباع، گرافیتی شدن و پردازش مکانیکی تولید میشود.
الکترود گرافیتی یک ماده رسانای مهم در دمای بالا برای فولادسازی الکتریکی است. الکترود گرافیتی برای ورود انرژی الکتریکی به کوره الکتریکی استفاده میشود و دمای بالای تولید شده توسط قوس بین انتهای الکترود و بار به عنوان منبع گرما برای ذوب بار برای فولادسازی استفاده میشود. سایر کورههای سنگ معدن که موادی مانند فسفر زرد، سیلیکون صنعتی و مواد ساینده را ذوب میکنند نیز از الکترودهای گرافیتی به عنوان مواد رسانا استفاده میکنند. خواص فیزیکی و شیمیایی عالی و ویژه الکترودهای گرافیتی نیز به طور گسترده در سایر بخشهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد.
مواد اولیه برای تولید الکترودهای گرافیتی عبارتند از کک نفتی، کک سوزنی و قیر قطران زغال سنگ.
کک نفتی یک محصول جامد قابل اشتعال است که از ته مانده زغال سنگ کک شو و قیر نفتی به دست میآید. رنگ آن سیاه و متخلخل است، عنصر اصلی آن کربن است و میزان خاکستر آن بسیار کم است، عموماً کمتر از 0.5٪. کک نفتی متعلق به دسته کربنهایی است که به راحتی گرافیتی میشوند. کک نفتی کاربردهای گستردهای در صنایع شیمیایی و متالورژی دارد. این ماده اولیه اصلی برای تولید محصولات گرافیتی مصنوعی و محصولات کربنی برای آلومینیوم الکترولیتی است.
کک نفتی را میتوان بر اساس دمای عملیات حرارتی به دو نوع تقسیم کرد: کک خام و کک کلسینه شده. کک نفتی اولیه که با ککسازی تأخیری به دست میآید، حاوی مقدار زیادی مواد فرار است و استحکام مکانیکی پایینی دارد. کک کلسینه شده با کلسیناسیون کک خام به دست میآید. اکثر پالایشگاهها در چین فقط کک تولید میکنند و عملیات کلسیناسیون عمدتاً در کارخانههای کربن انجام میشود.
کک نفتی را میتوان به کک پرگوگرد (حاوی بیش از ۱.۵٪ گوگرد)، کک متوسطگوگرد (حاوی ۰.۵٪-۱.۵٪ گوگرد) و کک کمگوگرد (حاوی کمتر از ۰.۵٪ گوگرد) تقسیم کرد. تولید الکترودهای گرافیتی و سایر محصولات گرافیتی مصنوعی عموماً با استفاده از کک کمگوگرد تولید میشود.
کک سوزنی نوعی کک با کیفیت بالا با بافت فیبری آشکار، ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین و گرافیتی شدن آسان است. وقتی کک شکسته میشود، میتوان آن را بر اساس بافت به نوارهای باریک تقسیم کرد (نسبت ابعاد معمولاً بالای ۱.۷۵ است). یک ساختار فیبری ناهمسانگرد را میتوان زیر میکروسکوپ پلاریزان مشاهده کرد و به همین دلیل به آن کک سوزنی گفته میشود.
ناهمسانگردی خواص فیزیکی-مکانیکی کک سوزنی بسیار مشهود است. این ماده رسانایی الکتریکی و حرارتی خوبی در جهت محور طولی ذره دارد و ضریب انبساط حرارتی آن پایین است. در قالبگیری اکستروژن، محور طولی اکثر ذرات در جهت اکستروژن قرار میگیرد. بنابراین، کک سوزنی ماده اولیه کلیدی برای تولید الکترودهای گرافیتی با توان بالا یا فوق توان بالا است. الکترود گرافیتی تولید شده دارای مقاومت ویژه کم، ضریب انبساط حرارتی کوچک و مقاومت در برابر شوک حرارتی خوب است.
کک سوزنی به کک سوزنی پایه روغنی که از پسماندهای نفتی تولید میشود و کک سوزنی پایه زغالسنگ که از مواد اولیه قیر زغالسنگ تصفیهشده تولید میشود، تقسیم میشود.
قیر زغال سنگ یکی از محصولات اصلی فرآوری عمیق قیر زغال سنگ است. این قیر مخلوطی از هیدروکربنهای مختلف است که در دمای بالا سیاه، در دمای بالا نیمه جامد یا جامد است، نقطه ذوب ثابتی ندارد، پس از گرم شدن نرم و سپس ذوب میشود و چگالی آن 1.25-1.35 گرم بر سانتیمتر مکعب است. بر اساس نقطه نرم شدن، به آسفالت دمای پایین، آسفالت دمای متوسط و آسفالت دمای بالا تقسیم میشود. بازده آسفالت دمای متوسط 54-56٪ قیر زغال سنگ است. ترکیب قیر زغال سنگ بسیار پیچیده است که به خواص قیر زغال سنگ و محتوای هترواتمها مربوط میشود و همچنین تحت تأثیر سیستم فرآیند ککسازی و شرایط فرآوری قیر زغال سنگ قرار میگیرد. شاخصهای زیادی برای توصیف قیر زغال سنگ وجود دارد، مانند نقطه نرم شدن قیر، مواد نامحلول تولوئن (TI)، مواد نامحلول کینولین (QI)، مقادیر ککسازی و رئولوژی قیر زغال سنگ.
قطران زغال سنگ به عنوان چسب و آغشته کننده در صنعت کربن استفاده میشود و عملکرد آن تأثیر زیادی بر فرآیند تولید و کیفیت محصول محصولات کربنی دارد. آسفالت چسباننده معمولاً از آسفالت اصلاحشده با دمای متوسط یا متوسط با نقطه نرمی متوسط، مقدار کک بالا و رزین β بالا استفاده میکند. عامل آغشتهکننده، آسفالت با دمای متوسط با نقطه نرمی پایین، شاخص کیفیت پایین و خواص رئولوژیکی خوب است.
تصویر زیر فرآیند تولید الکترود گرافیتی در شرکت کربن اینترپرایز را نشان میدهد.
کلسیناسیون: ماده اولیه کربنی در دمای بالا تحت عملیات حرارتی قرار میگیرد تا رطوبت و مواد فرار موجود در آن تخلیه شود و فرآیند تولید مربوط به بهبود عملکرد پخت اولیه، کلسیناسیون نامیده میشود. به طور کلی، ماده اولیه کربنی با استفاده از گاز و مواد فرار خود به عنوان منبع گرما کلسینه میشود و حداکثر دما ۱۲۵۰-۱۳۵۰ درجه سانتیگراد است.
کلسیناسیون تغییرات عمیقی در ساختار و خواص فیزیکوشیمیایی مواد اولیه کربنی ایجاد میکند، عمدتاً در بهبود چگالی، استحکام مکانیکی و رسانایی الکتریکی کک، بهبود پایداری شیمیایی و مقاومت در برابر اکسیداسیون کک، و پایه گذاری برای فرآیند بعدی.
تجهیزات کلسینه شده عمدتاً شامل کلسینه کننده مخزنی، کوره دوار و کلسینه کننده برقی است. شاخص کنترل کیفیت کلسینه کردن این است که چگالی واقعی کک نفتی کمتر از 2.07 گرم بر سانتی متر مکعب، مقاومت ویژه بیشتر از 550μΩ.m، چگالی واقعی کک سوزنی کمتر از 2.12 گرم بر سانتی متر مکعب و مقاومت ویژه بیشتر از 500μΩ.m نباشد.
خرد کردن مواد اولیه و مواد تشکیل دهنده
قبل از بچینگ، کک نفتی کلسینه شده و کک سوزنی فلهای باید خرد، آسیاب و الک شوند.
خردایش متوسط معمولاً توسط تجهیزات خردایش حدود ۵۰ میلیمتری از طریق سنگشکن فکی، سنگشکن چکشی، سنگشکن غلتکی و موارد مشابه انجام میشود تا مواد با اندازه ۰.۵ تا ۲۰ میلیمتر مورد نیاز برای بچینگ بیشتر خرد شوند.
آسیاب کردن فرآیندی است که در آن یک ماده کربنی به وسیله آسیاب غلتکی حلقهای معلق (آسیاب ریموند)، آسیاب گلولهای یا موارد مشابه، به ذرات پودری کوچک با اندازه 0.15 میلیمتر یا کمتر و اندازه ذرات 0.075 میلیمتر یا کمتر تبدیل میشود.
غربالگری فرآیندی است که در آن طیف وسیعی از مواد پس از خردایش، از طریق یک سری الک با منافذ یکنواخت به چندین محدوده اندازه ذرات با طیف باریکی از اندازهها تقسیم میشوند. تولید الکترود فعلی معمولاً به ۴-۵ گلوله و ۱-۲ گرید پودر نیاز دارد.
مواد تشکیل دهنده، فرآیندهای تولیدی برای محاسبه، توزین و تمرکز مصالح مختلف سنگدانهها و پودرها و چسبها مطابق با الزامات فرمولاسیون هستند. مناسب بودن علمی فرمولاسیون و پایداری عملیات بچینگ از مهمترین عوامل مؤثر بر شاخص کیفیت و عملکرد محصول هستند.
فرمول باید 5 جنبه را تعیین کند:
۱- نوع مواد اولیه را انتخاب کنید؛
۲- تعیین نسبت انواع مختلف مواد اولیه؛
۳ تعیین ترکیب اندازه ذرات ماده خام جامد؛
۴- مقدار چسب را تعیین کنید.
۵- نوع و مقدار افزودنیها را تعیین کنید.
ورز دادن: مخلوط کردن و تعیین کمیت گرانولها و پودرهای کربنی با اندازه ذرات مختلف با مقدار مشخصی از چسب در دمای معین و ورز دادن خمیر پلاستیسیته در فرآیندی به نام ورز دادن.
فرآیند ورز دادن: مخلوط کردن خشک (20-35 دقیقه) مخلوط کردن مرطوب (40-55 دقیقه)
نقش ورز دادن:
1 هنگام مخلوط کردن خشک، مواد اولیه مختلف به طور یکنواخت مخلوط میشوند و مواد کربنی جامد با اندازه ذرات مختلف به طور یکنواخت مخلوط و پر میشوند تا فشردگی مخلوط بهبود یابد.
۲- پس از افزودن قیر قطران زغال سنگ، مواد خشک و آسفالت به طور یکنواخت مخلوط میشوند. آسفالت مایع به طور یکنواخت سطح دانهها را میپوشاند و مرطوب میکند تا لایهای از لایه اتصال آسفالت تشکیل شود و تمام مواد به یکدیگر متصل میشوند تا یک لایه پلاستیکی همگن تشکیل شود. این لایه برای قالبگیری مناسب است.
سه قسمت از قیر قطران زغال سنگ به فضای داخلی ماده کربنی نفوذ میکند و چگالی و چسبندگی خمیر را بیشتر افزایش میدهد.
قالبگیری: قالبگیری مواد کربنی به فرآیند تغییر شکل پلاستیکی خمیر کربن ورز داده شده تحت نیروی خارجی اعمال شده توسط تجهیزات قالبگیری اشاره دارد تا در نهایت یک جسم خام (یا محصول خام) با شکل، اندازه، چگالی و استحکام خاص تشکیل شود.
انواع قالبگیری، تجهیزات و محصولات تولیدی:
روش قالب گیری
تجهیزات مشترک
محصولات اصلی
قالبگیری
پرس هیدرولیک عمودی
کربن الکتریکی، گرافیت ریزساختار با درجه پایین
فشار دادن
اکسترودر هیدرولیک افقی
اکسترودر پیچی
الکترود گرافیتی، الکترود مربعی
قالبگیری ارتعاشی
دستگاه قالب گیری ویبره
آجر کربنی آلومینیومی، آجر کربنی کوره بلند
پرس ایزواستاتیک
دستگاه قالب گیری ایزواستاتیک
گرافیت ایزوتروپیک، گرافیت ناهمسانگرد
عملیات فشاری
۱- مواد خنککننده: مواد خنککننده دیسکی، مواد خنککننده سیلندری، مواد خنککننده برای مخلوط کردن و ورز دادن و غیره.
مواد فرار را تخلیه کنید، برای افزایش چسبندگی، دمای آن را تا دمای مناسب (۹۰-۱۲۰ درجه سانتیگراد) کاهش دهید، به طوری که چسبندگی خمیر به مدت ۲۰-۳۰ دقیقه یکنواخت باشد.
2 بارگیری: فشار بالابر بافل —– 2-3 بار برش —- 4-10MPa تراکم
۳- پیشفشار: فشار ۲۰-۲۵ مگاپاسکال، زمان ۳-۵ دقیقه، هنگام جاروبرقی کشیدن
۴- اکستروژن: بافل را به پایین فشار دهید — اکستروژن ۵-۱۵ مگاپاسکال — برش — به داخل سینک خنک کننده
پارامترهای فنی اکستروژن: نسبت تراکم، دمای محفظه پرس و نازل، دمای خنککاری، زمان فشار پیشبارگذاری، فشار اکستروژن، سرعت اکستروژن، دمای آب خنککننده
بازرسی بدنه خام: چگالی ظاهری، بررسی ظاهری، آنالیز
کلسیناسیون: فرآیندی است که در آن بدنه خام محصول کربنی در یک کوره گرمایشی با طراحی خاص تحت حفاظت پرکننده پر میشود تا عملیات حرارتی با دمای بالا برای کربنیزه کردن قیر زغال سنگ در بدنه خام انجام شود. کک قیری که پس از کربنیزه کردن قیر زغال سنگ تشکیل میشود، سنگدانههای کربنی و ذرات پودر را با هم جامد میکند و محصول کربنی کلسینه شده دارای مقاومت مکانیکی بالا، مقاومت الکتریکی کم، پایداری حرارتی خوب و پایداری شیمیایی است.
کلسیناسیون یکی از فرآیندهای اصلی در تولید محصولات کربنی است و همچنین بخش مهمی از سه فرآیند اصلی عملیات حرارتی تولید الکترود گرافیتی است. چرخه تولید کلسیناسیون طولانی است (22-30 روز برای پخت، 5-20 روز برای کورههای پخت 2) و مصرف انرژی بالاتری دارد. کیفیت برشته کردن سبز بر کیفیت محصول نهایی و هزینه تولید تأثیر میگذارد.
قیر زغال سبز موجود در بدنه خام در طول فرآیند برشته شدن، کک میشود و حدود 10٪ از مواد فرار آن تخلیه میشود و حجم آن با انقباض 2-3٪ تولید میشود و اتلاف جرم 8-10٪ است. خواص فیزیکی و شیمیایی شمش کربن نیز به طور قابل توجهی تغییر کرد. تخلخل از 1.70 گرم بر سانتیمتر مکعب به 1.60 گرم بر سانتیمتر مکعب کاهش یافت و مقاومت ویژه به دلیل افزایش تخلخل از 10000 میکرواهم متر به 40-50 میکرواهم متر کاهش یافت. استحکام مکانیکی شمش کلسینه شده نیز زیاد بود. برای بهبود.
پخت ثانویه فرآیندی است که در آن محصول کلسینه شده غوطهور شده و سپس کلسینه میشود تا قیر غوطهور در منافذ محصول کلسینه شده کربونیزه شود. الکترودهایی که به چگالی حجمی بالاتری نیاز دارند (همه انواع به جز RP) و قطعات اتصال باید دو پخت شوند و قطعات اتصال نیز تحت عملیات سهشیب چهار پخت یا دوشیب سه پخت قرار میگیرند.
نوع کوره اصلی دستگاه روستر:
کوره حلقهای با عملکرد مداوم (با پوشش، بدون پوشش)، کوره تونلی
کارکرد متناوب - کوره معکوس، دستگاه برشتهکاری زیر زمینی، دستگاه برشتهکاری جعبهای
منحنی کلسیناسیون و حداکثر دما:
برشته کردن یکباره—-320، 360، 422، 480 ساعت، 1250 درجه سانتیگراد
برشته کردن ثانویه—-125، 240، 280 ساعت، 700-800 درجه سانتیگراد
بازرسی محصولات پخته شده: بررسی ظاهری، مقاومت الکتریکی، چگالی ظاهری، مقاومت فشاری، تجزیه و تحلیل ساختار داخلی
اشباعسازی فرآیندی است که در آن یک ماده کربنی در یک مخزن تحت فشار قرار میگیرد و قیر آغشته به مایع در منافذ الکترود محصول تحت شرایط دما و فشار خاص غوطهور میشود. هدف از این کار کاهش تخلخل محصول، افزایش چگالی حجمی و استحکام مکانیکی محصول و بهبود رسانایی الکتریکی و حرارتی محصول است.
فرآیند اشباعسازی و پارامترهای فنی مربوطه عبارتند از: برشته کردن شمش – تمیز کردن سطح – پیش گرمایش (۲۶۰-۳۸۰ درجه سانتیگراد، ۶-۱۰ ساعت) – بارگیری مخزن اشباعسازی – جاروبرقی (۸-۹ کیلوپاسکال، ۴۰-۵۰ دقیقه) – تزریق قیر (۱۸۰-۲۰۰ درجه سانتیگراد) – اعمال فشار (۱.۲-۱.۵ مگاپاسکال، ۳-۴ ساعت) – بازگشت به آسفالت – خنکسازی (داخل یا خارج مخزن)
بازرسی محصولات آغشته شده: نرخ افزایش وزن آغشته سازی G=(W2-W1)/W1×100%
نرخ افزایش وزن در یک مرحله غوطهوری ≥14٪
نرخ افزایش وزن محصول آغشته شده ثانویه ≥ ۹٪
نرخ افزایش وزن سه محصول غوطهوری ≥ ۵٪
گرافیتیسازی به فرآیند عملیات حرارتی در دمای بالا اشاره دارد که در آن یک محصول کربنی تا دمای 2300 درجه سانتیگراد یا بیشتر در یک محیط محافظ در یک کوره الکتریکی با دمای بالا گرم میشود تا یک کربن با ساختار لایهای آمورف را به یک ساختار کریستالی گرافیتی منظم سهبعدی تبدیل کند.
هدف و تأثیر گرافیته کردن:
۱- بهبود رسانایی و رسانایی حرارتی ماده کربنی (مقاومت ویژه ۴ تا ۵ برابر کاهش و رسانایی حرارتی حدود ۱۰ برابر افزایش مییابد)؛
۲. بهبود مقاومت در برابر شوک حرارتی و پایداری شیمیایی ماده کربنی (کاهش ضریب انبساط خطی ۵۰ تا ۸۰ درصد)؛
۳- برای ایجاد روانکاری و مقاومت در برابر سایش در ماده کربنی؛
۴- ناخالصیهای خروجی، خلوص ماده کربنی را بهبود میبخشد (میزان خاکستر محصول از ۰.۵-۰.۸٪ به حدود ۰.۳٪ کاهش مییابد).
تحقق فرآیند گرافیتی شدن:
گرافیتی شدن مواد کربنی در دمای بالای ۲۳۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سانتیگراد انجام میشود، بنابراین در صنعت فقط با گرمایش الکتریکی قابل تحقق است، یعنی جریان مستقیماً از محصول کلسینه شده گرم شده عبور میکند و محصول کلسینه شده که به کوره شارژ میشود توسط جریان الکتریکی در دمای بالا تولید میشود. هادی نیز جسمی است که تا دمای بالا گرم میشود.
کورههایی که در حال حاضر به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند شامل کورههای گرافیتیسازی آچسون و کورههای آبشاری حرارتی داخلی (LWG) هستند. مورد اول خروجی زیاد، اختلاف دمای زیاد و مصرف برق بالایی دارد. مورد دوم زمان گرمایش کوتاه، مصرف برق کم، مقاومت الکتریکی یکنواخت دارد و برای نصب مناسب نیست.
کنترل فرآیند گرافیته شدن با اندازه گیری منحنی توان الکتریکی که برای شرایط افزایش دما مناسب است، کنترل می شود. زمان تامین برق برای کوره آچسون 50-80 ساعت و برای کوره LWG 9-15 ساعت است.
مصرف برق گرافیتیزاسیون بسیار زیاد است، عموماً ۳۲۰۰ تا ۴۸۰۰ کیلووات ساعت، و هزینه این فرآیند حدود ۲۰ تا ۳۵ درصد از کل هزینه تولید را تشکیل میدهد.
بازرسی محصولات گرافیتی: تست ظاهری، تست مقاومت ویژه
ماشینکاری: هدف از ماشینکاری مکانیکی مواد گرافیت کربنی، دستیابی به اندازه، شکل، دقت و غیره مورد نیاز با برش است تا بدنه الکترود و اتصالات مطابق با الزامات استفاده ساخته شوند.
پردازش الکترود گرافیتی به دو فرآیند پردازش مستقل تقسیم میشود: بدنه الکترود و اتصال.
پردازش بدنه شامل سه مرحلهی خستهکننده و خشن کردن سطح صاف انتهایی، دایره بیرونی و سطح صاف انتهایی و رزوه فرزکاری است. پردازش اتصال مخروطی را میتوان به 6 فرآیند تقسیم کرد: برش، سطح صاف انتهایی، سطح مخروطی خودرو، رزوه فرزکاری، سوراخکاری پیچ و شیارزنی.
اتصال اتصالات الکترود: اتصال مخروطی (سه سگک و یک سگک)، اتصال استوانهای، اتصال ضربهای (اتصال نر و ماده)
کنترل دقت ماشینکاری: انحراف مخروطی رزوه، گام رزوه، انحراف قطر بزرگ اتصال (سوراخ)، هم محوری سوراخ اتصال، عمودی بودن سوراخ اتصال، صافی سطح انتهایی الکترود، انحراف چهار نقطهای اتصال. با گیجهای حلقهای و گیجهای صفحهای مخصوص بررسی کنید.
بازرسی الکترودهای تکمیلشده: دقت، وزن، طول، قطر، چگالی ظاهری، مقاومت ویژه، تلرانس پیش از مونتاژ و غیره
زمان ارسال: ۳۱ اکتبر ۲۰۱۹