O eléctrodo de grafito é un material condutor de grafito resistente a altas temperaturas producido por amasado de petróleo, coque de agulla como agregado e betume de carbón como aglutinante, que se producen mediante unha serie de procesos como amasado, moldeado, torrefacción, impregnación, grafitización e procesamento mecánico do material.
O eléctrodo de grafito é un importante material condutor de alta temperatura para a fabricación de aceiro eléctrico. O eléctrodo de grafito úsase para introducir enerxía eléctrica no forno eléctrico e a alta temperatura xerada polo arco entre o extremo do eléctrodo e a carga utilízase como fonte de calor para fundir a carga para a fabricación de aceiro. Outros fornos de minerais que funden materiais como fósforo amarelo, silicio industrial e abrasivos tamén usan eléctrodos de grafito como materiais condutores. As excelentes e especiais propiedades físicas e químicas dos eléctrodos de grafito tamén se empregan amplamente noutros sectores industriais.
As materias primas para a produción de eléctrodos de grafito son coque de petróleo, coque de agulla e brea de alcatrán de hulla.
O coque de petróleo é un produto sólido inflamable obtido da coqueización de residuos de carbón e brea de petróleo. A cor é negra e porosa, o elemento principal é o carbono e o contido de cinzas é moi baixo, xeralmente inferior ao 0,5 %. O coque de petróleo pertence á clase de carbono facilmente grafitizado. O coque de petróleo ten unha ampla gama de usos nas industrias química e metalúrxica. É a principal materia prima para a produción de produtos de grafito artificial e produtos de carbono para o aluminio electrolítico.
O coque de petróleo pódese dividir en dous tipos: coque bruto e coque calcinado segundo a temperatura do tratamento térmico. O primeiro coque de petróleo obtido por coqueización retardada contén unha gran cantidade de volátiles e a súa resistencia mecánica é baixa. O coque calcinado obtense mediante calcinación de coque bruto. A maioría das refinerías da China producen só coque e as operacións de calcinación lévanse a cabo principalmente en plantas de carbón.
O coque de petróleo pódese dividir en coque de alto contido en xofre (que contén máis do 1,5 % de xofre), coque de xofre medio (que contén entre o 0,5 % e o 1,5 % de xofre) e coque de baixo contido en xofre (que contén menos do 0,5 % de xofre). A produción de eléctrodos de grafito e outros produtos de grafito artificial xeralmente prodúcese utilizando coque de baixo contido en xofre.
O coque de agulla é un tipo de coque de alta calidade con textura fibrosa evidente, coeficiente de expansión térmica moi baixo e grafitización fácil. Cando o coque se rompe, pódese dividir en tiras delgadas segundo a textura (a relación de aspecto é xeralmente superior a 1,75). Pódese observar unha estrutura fibrosa anisotrópica cun microscopio polarizador e, polo tanto, denomínase coque de agulla.
A anisotropía das propiedades fisicomecánicas do coque de agulla é moi evidente. Ten unha boa condutividade eléctrica e térmica paralela á dirección do eixe longo da partícula e o coeficiente de expansión térmica é baixo. Ao moldear por extrusión, o eixe longo da maioría das partículas está disposto na dirección da extrusión. Polo tanto, o coque de agulla é a materia prima clave para a fabricación de eléctrodos de grafito de alta ou ultra alta potencia. O eléctrodo de grafito producido ten baixa resistividade, pequeno coeficiente de expansión térmica e boa resistencia ao choque térmico.
O coque de agulla divídese en coque de agulla a base de petróleo producido a partir de residuos de petróleo e coque de agulla a base de carbón producido a partir de materias primas de brea de carbón refinada.
O alcatrán de hulla é un dos principais produtos do procesamento profundo do alcatrán de hulla. É unha mestura de varios hidrocarburos, negro a alta temperatura, semisólido ou sólido a alta temperatura, sen punto de fusión fixo, que se abranda despois do quecemento e logo se funde, cunha densidade de 1,25-1,35 g/cm3. Segundo o seu punto de abrandamento, divídese en asfalto de baixa temperatura, temperatura media e alta temperatura. O rendemento do asfalto de temperatura media é do 54-56 % do alcatrán de hulla. A composición do alcatrán de hulla é extremadamente complexa, o que está relacionado coas propiedades do alcatrán de hulla e o contido de heteroátomos, e tamén se ve afectado polo sistema do proceso de coque e as condicións de procesamento do alcatrán de hulla. Existen moitos indicadores para caracterizar a brea de alcatrán de hulla, como o punto de abrandamento do betume, os insolubles en tolueno (TI), os insolubles en quinolina (QI), os valores de coque e a reoloxía da brea de carbón.
O alcatrán de hulla utilízase como aglutinante e impregnante na industria do carbono, e o seu rendemento ten un grande impacto no proceso de produción e na calidade do produto de carbono. O asfalto aglutinante xeralmente usa un asfalto de temperatura media ou modificado a temperatura media que ten un punto de abrandamento moderado, un alto valor de coque e unha resina β alta. O axente impregnante é un asfalto de temperatura media que ten un punto de abrandamento baixo, un QI baixo e boas propiedades reolóxicas.
A seguinte imaxe mostra o proceso de produción de eléctrodos de grafito nunha empresa de carbono.
Calcinación: A materia prima carbonosa é tratada termicamente a alta temperatura para eliminar a humidade e a materia volátil que contén, e o proceso de produción correspondente á mellora do rendemento de cocción orixinal chámase calcinación. Xeralmente, a materia prima carbonosa calcínase utilizando gas e os seus propios volátiles como fonte de calor, e a temperatura máxima é de 1250-1350 °C.
A calcinación produce cambios profundos na estrutura e nas propiedades fisicoquímicas das materias primas carbonosas, principalmente mellorando a densidade, a resistencia mecánica e a condutividade eléctrica do coque, mellorando a estabilidade química e a resistencia á oxidación do coque, sentando as bases para o proceso posterior.
Os equipos calcinados inclúen principalmente un calcinador de tanque, un forno rotatorio e un calcinador eléctrico. O índice de control de calidade da calcinación é que a densidade real do coque de petróleo non sexa inferior a 2,07 g/cm3, a resistividade non sexa superior a 550 μΩ.m, a densidade real do coque de agulla non sexa inferior a 2,12 g/cm3 e a resistividade non sexa superior a 500 μΩ.m.
Trituración de materias primas e ingredientes
Antes da dosificación, o coque de petróleo calcinado a granel e o coque de agulla deben ser triturados, moídos e peneirados.
A trituración media adoita levarse a cabo mediante equipos de trituración duns 50 mm a través dunha trituradora de mandíbulas, unha trituradora de martelos, unha trituradora de rolos e similares para triturar aínda máis o material de tamaño de 0,5-20 mm necesario para a dosificación.
A moenda é un proceso de moenda dun material carbonoso ata obter unha partícula pequena en po de 0,15 mm ou menos e un tamaño de partícula de 0,075 mm ou menos por medio dun muíño de rolos de anel de tipo suspensión (muíño Raymond), un muíño de bolas ou similar.
A cribaxe é un proceso no que unha ampla gama de materiais, despois dunha trituración, se divide en varios rangos de tamaño de partícula cun rango estreito de tamaños a través dunha serie de peneiras con aberturas uniformes. A produción actual de eléctrodos adoita requirir de 4 a 5 gránulos e de 1 a 2 tipos de po.
Os ingredientes son os procesos de produción para calcular, pesar e concentrar os diversos agregados de agregados, pós e aglutinantes segundo os requisitos da formulación. A idoneidade científica da formulación e a estabilidade da operación de dosificación están entre os factores máis importantes que afectan o índice de calidade e o rendemento do produto.
A fórmula debe determinar 5 aspectos:
1Seleccione o tipo de materia prima;
2 determinar a proporción de diferentes tipos de materias primas;
3 determinación da composición granulométrica da materia prima sólida;
4 determinar a cantidade de aglutinante;
5 Determinar o tipo e a cantidade de aditivos.
Amasado: mesturar e cuantificar gránulos e pos carbonosos de varios tamaños de partícula cunha certa cantidade de aglutinante a unha determinada temperatura e amasar a pasta de plasticidade nun proceso chamado amasado.
Proceso de amasado: mestura en seco (20-35 min) mestura en húmido (40-55 min)
O papel do amasado:
1 Ao mesturar en seco, as distintas materias primas mestúranse uniformemente e os materiais carbonosos sólidos de diferentes tamaños de partícula mestúranse e énchense uniformemente para mellorar a compacidade da mestura;
2 Despois de engadir a brea de alcatrán de hulla, o material seco e o asfalto mestúranse uniformemente. O asfalto líquido recubre e humedece uniformemente a superficie dos gránulos para formar unha capa de unión asfáltica, e todos os materiais únense entre si para formar unha mancha plástica homoxénea. Facilita o moldeo;
3 partes de brea de alcatrán de hulla penetran no espazo interior do material carbonoso, aumentando aínda máis a densidade e a cohesión da pasta.
Moldeo: O moldeo de material de carbono refírese ao proceso de deformación plastica da pasta de carbono amasada baixo a forza externa aplicada polo equipo de moldeo para formar finalmente un corpo verde (ou produto en bruto) cunha determinada forma, tamaño, densidade e resistencia.
Tipos de moldeo, equipos e produtos fabricados:
Método de moldeo
equipamento común
produtos principais
Moldura
Prensa hidráulica vertical
Carbono eléctrico, grafito de estrutura fina de baixa calidade
Apertar
extrusora hidráulica horizontal
extrusora de parafuso
Electrodo de grafito, electrodo cadrado
Moldeo por vibración
Máquina de moldeo por vibración
Ladrillo de carbono de aluminio, ladrillo de carbono de alto forno
Prensa isostática
Máquina de moldeo isostático
Grafito isotrópico, grafito anisotrópico
Operación de apertar
1 material frío: material de refrixeración de disco, material de refrixeración de cilindro, materiais de refrixeración para mesturar e amasar, etc.
Descarga os volátiles, reduce a temperatura axeitada (90-120 °C) para aumentar a adhesión, de xeito que a consistencia da pasta sexa uniforme durante 20-30 minutos.
2 Carga: deflector de elevación de prensa —– 2-3 veces cortando—-compactación de 4-10 MPa
3 prepresión: presión 20-25MPa, tempo 3-5min, mentres se aspira
4 extrusión: premer o deflector —extrusión de 5-15 MPa — cortar — no sumidoiro de arrefriamento
Parámetros técnicos da extrusión: relación de compresión, temperatura da cámara de prensado e da boquilla, temperatura de arrefriamento, tempo de presión de precarga, presión de extrusión, velocidade de extrusión, temperatura da auga de arrefriamento
Inspección de corpo verde: densidade aparente, tocado superficial, análise
Calcinación: é un proceso no que o corpo verde do produto de carbono se enche nun forno de quecemento especialmente deseñado baixo a protección do recheo para realizar un tratamento térmico a alta temperatura para carbonizar a brea de carbón no corpo verde. O coque bituminoso formado despois da carbonización do betume de carbón solidifica o agregado carbonoso e as partículas de po xuntas, e o produto de carbono calcinado ten unha alta resistencia mecánica, baixa resistividade eléctrica, boa estabilidade térmica e estabilidade química.
A calcinación é un dos principais procesos na produción de produtos de carbono e tamén é unha parte importante dos tres procesos principais de tratamento térmico da produción de eléctrodos de grafito. O ciclo de produción da calcinación é longo (22-30 días para a cocción, 5-20 días para os fornos para a cocción) e ten un maior consumo de enerxía. A calidade da torrada verde ten un impacto na calidade do produto acabado e no custo de produción.
A brea de carbón verde no corpo verde coquízase durante o proceso de torrefacción e descárgase aproximadamente o 10 % da materia volátil, e o volume prodúcese cunha contracción do 2-3 %, e a perda de masa é do 8-10 %. As propiedades físicas e químicas do lingote de carbono tamén cambiaron significativamente. A porosidade diminuíu de 1,70 g/cm3 a 1,60 g/cm3 e a resistividade diminuíu de 10 000 μΩ·m a 40-50 μΩ·m debido ao aumento da porosidade. A resistencia mecánica do lingote calcinado tamén foi grande. Para mellora.
A cocción secundaria é un proceso no que o produto calcinado se mergulla e logo se calcina para carbonizar a brea mergullada nos poros do produto calcinado. Os eléctrodos que requiren unha maior densidade aparente (todas as variedades excepto RP) e as pezas en bruto para unións deben ser cocidas en dúas capas, e as pezas en bruto para unións tamén se someten a unha cocción en tres inmersións en catro ou dúas inmersións en tres inmersións.
Tipo de forno principal de torrador:
Funcionamento continuo: forno de anel (con tapa, sen tapa), forno de túnel
Funcionamento intermitente: forno inverso, torrador de chan baixo, torrador de caixa
Curva de calcinación e temperatura máxima:
Torrado único: 320, 360, 422, 480 horas, 1250 °C
Torrefacción secundaria: 125, 240, 280 horas, 700-800 °C
Inspección de produtos de forno: análise de aspecto por roscación, resistividade eléctrica, densidade aparente, resistencia á compresión, análise da estrutura interna
A impregnación é un proceso no que se coloca un material de carbono nun recipiente a presión e a brea impregnante líquida se mergulla nos poros do eléctrodo do produto baixo certas condicións de temperatura e presión. O obxectivo é reducir a porosidade do produto, aumentar a densidade aparente e a resistencia mecánica do produto e mellorar a condutividade eléctrica e térmica do produto.
O proceso de impregnación e os parámetros técnicos relacionados son: torrefacción do lingote – limpeza da superficie – prequecemento (260-380 °C, 6-10 horas) – carga do tanque de impregnación – baleiro (8-9 kPa, 40-50 min) – inxección de betume (180-200 °C) – presurización (1,2-1,5 MPa, 3-4 horas) – devolución ao asfalto – arrefriamento (dentro ou fóra do tanque)
Inspección de produtos impregnados: taxa de aumento de peso da impregnación G=(W2-W1)/W1×100%
Taxa de aumento de peso por inmersión ≥14%
Taxa de aumento de peso do produto impregnado secundario ≥ 9%
Taxa de aumento de peso de tres produtos de inmersión ≥ 5%
A grafitización refírese a un proceso de tratamento térmico a alta temperatura no que un produto de carbono se quenta a unha temperatura de 2300 °C ou máis nun medio protector nun forno eléctrico de alta temperatura para converter un carbono de estrutura en capas amorfa nunha estrutura cristalina de grafito ordenada tridimensional.
O propósito e o efecto da grafitización:
1 mellorar a condutividade e a condutividade térmica do material de carbono (a resistividade redúcese de 4 a 5 veces e a condutividade térmica aumenta aproximadamente 10 veces);
2 mellorar a resistencia ao choque térmico e a estabilidade química do material de carbono (coeficiente de expansión lineal reducido entre un 50 e un 80 %);
3 para mellorar a lubricidade e a resistencia á abrasión do material de carbono;
4 Eliminar as impurezas, mellorar a pureza do material de carbono (o contido de cinzas do produto redúcese do 0,5-0,8% a aproximadamente o 0,3%).
A realización do proceso de grafitización:
A grafitización do material de carbono lévase a cabo a unha temperatura elevada de 2300-3000 °C, polo que só se pode realizar mediante quentamento eléctrico na industria, é dicir, a corrente pasa directamente a través do produto calcinado quentado e o produto calcinado cargado no forno xérase pola corrente eléctrica a alta temperatura. O condutor é de novo un obxecto que se quenta a alta temperatura.
Entre os fornos que se empregan amplamente na actualidade inclúense os fornos de grafitización Acheson e os fornos de cascada de calor interna (LWG). Os primeiros teñen unha gran potencia, unha gran diferenza de temperatura e un alto consumo de enerxía. Os segundos teñen un curto tempo de quecemento, baixo consumo de enerxía, resistividade eléctrica uniforme e non son axeitados para a súa instalación.
O control do proceso de grafitización contrólase medindo a curva de potencia eléctrica axeitada para a condición de aumento de temperatura. O tempo de subministración de enerxía é de 50 a 80 horas para o forno Acheson e de 9 a 15 horas para o forno LWG.
O consumo de enerxía da grafitización é moi grande, xeralmente de 3200-4800 kWh, e o custo do proceso representa aproximadamente o 20-35% do custo total de produción.
Inspección de produtos grafitizados: tocado superficial, proba de resistividade
Mecanizado: O obxectivo do mecanizado mecánico de materiais de grafito de carbono é conseguir o tamaño, a forma e a precisión requiridos mediante corte para fabricar o corpo do eléctrodo e as unións de acordo cos requisitos de uso.
O procesamento de eléctrodos de grafito divídese en dous procesos de procesamento independentes: corpo de eléctrodo e unión.
O procesamento da carrozaría inclúe tres pasos: perforación e desbaste da cara frontal plana, círculo exterior e cara frontal plana e fresado de rosca. O procesamento da unión cónica pódese dividir en 6 procesos: corte, cara frontal plana, cara frontal cónica, fresado de rosca, perforación de parafusos e ranurado.
Conexión das unións de eléctrodos: conexión de unión cónica (tres fibelas e unha fibela), conexión de unión cilíndrica, conexión de tope (conexión macho e femia)
Control da precisión do mecanizado: desviación da conicidade da rosca, paso da rosca, desviación do gran diámetro da unión (burato), coaxialidade do burato da unión, verticalidade do burato da unión, planitude da cara final do eléctrodo, desviación de catro puntos da unión. Comprobe con calibres de anel especiais e calibres de placa.
Inspección de eléctrodos acabados: precisión, peso, lonxitude, diámetro, densidade aparente, resistividade, tolerancia de premontaxe, etc.
Data de publicación: 31 de outubro de 2019