Grafitna elektroda je visokotemperaturno otporan grafitni vodljivi materijal proizveden od naftnog gnječenja, igličastog koksa kao agregata i ugljenog bitumena kao veziva, koji se proizvode nizom procesa kao što su gnječenje, oblikovanje, prženje, impregnacija, grafitizacija i mehanička obrada.
Grafitna elektroda je važan visokotemperaturni vodljivi materijal za elektroproizvodnju čelika. Grafitna elektroda se koristi za unos električne energije u električnu peć, a visoka temperatura koju stvara luk između kraja elektrode i uloška koristi se kao izvor topline za taljenje uloška za proizvodnju čelika. Druge peći za rudu koje tale materijale poput žutog fosfora, industrijskog silicija i abraziva također koriste grafitne elektrode kao vodljive materijale. Izvrsna i posebna fizikalna i kemijska svojstva grafitnih elektroda također se široko koriste u drugim industrijskim sektorima.
Sirovine za proizvodnju grafitnih elektroda su naftni koks, igličasti koks i smola ugljenog katrana.
Naftni koks je zapaljivi čvrsti proizvod dobiven koksiranjem ostataka ugljena i naftne smole. Boja je crna i porozna, glavni element je ugljik, a sadržaj pepela je vrlo nizak, obično ispod 0,5%. Naftni koks pripada klasi lako grafitiziranog ugljika. Naftni koks ima širok raspon upotrebe u kemijskoj i metalurškoj industriji. Glavna je sirovina za proizvodnju umjetnih grafitnih proizvoda i ugljičnih proizvoda za elektrolitički aluminij.
Naftni koks se može podijeliti u dvije vrste: sirovi koks i kalcinirani koks prema temperaturi toplinske obrade. Bivši naftni koks dobiven odgođenim koksiranjem sadrži veliku količinu hlapljivih tvari, a mehanička čvrstoća je niska. Kalcinirani koks se dobiva kalcinacijom sirovog koksa. Većina rafinerija u Kini proizvodi samo koks, a operacije kalcinacije se uglavnom provode u postrojenjima za proizvodnju ugljika.
Naftni koks može se podijeliti na koks s visokim udjelom sumpora (koji sadrži više od 1,5% sumpora), koks sa srednjim udjelom sumpora (koji sadrži 0,5%-1,5% sumpora) i koks s niskim udjelom sumpora (koji sadrži manje od 0,5% sumpora). Grafitne elektrode i drugi umjetni grafitni proizvodi općenito se proizvode korištenjem koksa s niskim udjelom sumpora.
Igličasti koks je vrsta visokokvalitetnog koksa s izraženom vlaknastom teksturom, vrlo niskim koeficijentom toplinskog širenja i lakom grafitizacijom. Kada se koks razbije, može se podijeliti na tanke trake prema teksturi (omjer stranica je općenito iznad 1,75). Anizotropna vlaknasta struktura može se uočiti pod polarizacijskim mikroskopom i stoga se naziva igličastim koksom.
Anizotropija fizičko-mehaničkih svojstava igličastog koksa je vrlo očita. Ima dobru električnu i toplinsku vodljivost paralelnu s uzdužnom osi čestice, a koeficijent toplinskog širenja je nizak. Prilikom ekstruzijskog oblikovanja, uzdužna os većine čestica je postavljena u smjeru ekstruzije. Stoga je igličasti koks ključna sirovina za proizvodnju grafitnih elektroda velike ili ultra velike snage. Proizvedena grafitna elektroda ima nisku otpornost, mali koeficijent toplinskog širenja i dobru otpornost na toplinske udare.
Igličasti koks se dijeli na igličasti koks na bazi nafte proizveden od ostataka nafte i igličasti koks na bazi ugljena proizveden od rafiniranih sirovina ugljene smole.
Katran ugljena jedan je od glavnih proizvoda duboke prerade katrana ugljena. To je smjesa različitih ugljikovodika, crne boje na visokoj temperaturi, polukrute ili krute na visokoj temperaturi, bez fiksne točke taljenja, omekšane nakon zagrijavanja, a zatim rastopljene, s gustoćom od 1,25-1,35 g/cm3. Prema točki omekšavanja dijeli se na niskotemperaturni, srednjotemperaturni i visokotemperaturni asfalt. Prinos asfalta na srednjoj temperaturi je 54-56% katrana ugljena. Sastav katrana ugljena izuzetno je složen, što je povezano sa svojstvima katrana ugljena i sadržajem heteroatoma, a na njega utječu i sustav procesa koksiranja i uvjeti prerade katrana ugljena. Postoje mnogi pokazatelji za karakterizaciju smole katrana ugljena, kao što su točka omekšavanja bitumena, tvari netopljive u toluenu (TI), tvari netopljive u kinolinu (QI), vrijednosti koksiranja i reologija smole ugljena.
Katran ugljena koristi se kao vezivo i impregnant u industriji ugljika, a njegove performanse imaju veliki utjecaj na proizvodni proces i kvalitetu ugljičnih proizvoda. Vezivo za asfalt općenito koristi asfalt srednje temperature ili modificiran asfalt srednje temperature s umjerenom točkom omekšavanja, visokom vrijednošću koksiranja i visokim udjelom β smole. Impregnacijsko sredstvo je asfalt srednje temperature s niskom točkom omekšavanja, niskim QI i dobrim reološkim svojstvima.
Sljedeća slika prikazuje proces proizvodnje grafitnih elektroda u poduzeću za preradu ugljika.
Kalcinacija: Ugljična sirovina se toplinski obrađuje na visokoj temperaturi kako bi se uklonila vlaga i hlapljive tvari koje se u njoj nalaze, a proizvodni proces koji odgovara poboljšanju izvornih performansi kuhanja naziva se kalcinacija. Općenito, ugljična sirovina se kalcinira korištenjem plina i vlastitih hlapljivih tvari kao izvora topline, a maksimalna temperatura je 1250-1350 °C.
Kalcinacija uzrokuje duboke promjene u strukturi i fizikalno-kemijskim svojstvima ugljičnih sirovina, uglavnom u poboljšanju gustoće, mehaničke čvrstoće i električne vodljivosti koksa, poboljšavajući kemijsku stabilnost i otpornost koksa na oksidaciju, postavljajući temelje za sljedeći proces.
Oprema za kalcinaciju uglavnom uključuje kalcinator u spremniku, rotacijsku peć i električni kalcinator. Indeks kontrole kvalitete kalcinacije je da stvarna gustoća naftnog koksa nije manja od 2,07 g/cm3, otpornost nije veća od 550 μΩ.m, stvarna gustoća igličastog koksa nije manja od 2,12 g/cm3, a otpornost nije veća od 500 μΩ.m.
Drobljenje sirovina i sastojci
Prije doziranja, rasuti kalcinirani petrolejski koks i igličasti koks moraju se zdrobiti, samljeti i prosijati.
Srednje drobljenje obično se provodi opremom za drobljenje veličine oko 50 mm pomoću čeljusne drobilice, čekićne drobilice, valjkaste drobilice i slično kako bi se dodatno drobio materijal veličine 0,5-20 mm potreban za doziranje.
Mljevenje je postupak mljevenja ugljičnog materijala u praškaste male čestice veličine 0,15 mm ili manje i veličine čestica od 0,075 mm ili manje pomoću prstenastog valjkastog mlina suspenzijskog tipa (Raymondov mlin), kugličnog mlina ili slično.
Prosijavanje je proces u kojem se širok raspon materijala nakon drobljenja dijeli na nekoliko raspona veličina čestica s uskim rasponom veličina kroz niz sita s ujednačenim otvorima. Za proizvodnju trenutnih elektroda obično je potrebno 4-5 peleta i 1-2 vrste praha.
Sastojci su proizvodni procesi za izračunavanje, vaganje i fokusiranje različitih agregata agregata i prahova te veziva prema zahtjevima formulacije. Znanstvena prikladnost formulacije i stabilnost postupka miješanja među najvažnijim su čimbenicima koji utječu na indeks kvalitete i performanse proizvoda.
Formula treba odrediti 5 aspekata:
1Odaberite vrstu sirovina;
2 odrediti udio različitih vrsta sirovina;
3 određivanje sastava veličine čestica krute sirovine;
4 odrediti količinu veziva;
5 Odredite vrstu i količinu aditiva.
Gnječenje: Miješanje i kvantificiranje ugljičnih granula i prahova različitih veličina čestica s određenom količinom veziva na određenoj temperaturi, te gnječenje plastične paste u proces koji se naziva gnječenje.
Postupak gnječenja: suho miješanje (20-35 min) mokro miješanje (40-55 min)
Uloga gnječenja:
1 Prilikom suhog miješanja, različite sirovine se ravnomjerno miješaju, a čvrsti ugljični materijali različitih veličina čestica ravnomjerno se miješaju i pune kako bi se poboljšala zbijenost smjese;
2 Nakon dodavanja katranske smole, suhi materijal i asfalt se ravnomjerno miješaju. Tekući asfalt ravnomjerno prekriva i vlaži površinu granula formirajući sloj asfaltnog vezivnog sloja, a svi materijali se međusobno vežu formirajući homogeni plastični razmaz. Pogodno za oblikovanje;
3 dijela katranske smole prodiru u unutarnji prostor ugljičnog materijala, dodatno povećavajući gustoću i kohezivnost paste.
Kalupljenje: Kalupljenje ugljičnog materijala odnosi se na proces plastičnog deformiranja gnječene ugljične paste pod djelovanjem vanjske sile koju primjenjuje oprema za kalupljenje kako bi se konačno formiralo zeleno tijelo (ili sirovi proizvod) određenog oblika, veličine, gustoće i čvrstoće.
Vrste kalupljenja, oprema i proizvodi koji se proizvode:
Metoda oblikovanja
Uobičajena oprema
glavni proizvodi
Kalupljenje
Vertikalna hidraulična preša
Električni ugljik, niskokvalitetni grafit fine strukture
Stisak
Horizontalni hidraulički ekstruder
Vijčani ekstruder
Grafitna elektroda, kvadratna elektroda
Vibracijsko oblikovanje
Stroj za vibracijsko oblikovanje
Aluminijsko-ugljična opeka, ugljična opeka visoke peći
Izostatsko prešanje
Izostatički stroj za oblikovanje
Izotropni grafit, anizotropni grafit
Stiskivanje
1 hladni materijal: materijal za hlađenje diska, materijal za hlađenje cilindra, materijali za hlađenje miješanja i gnječenja itd.
Ispustite hlapljive tvari, smanjite temperaturu na prikladnu (90-120 °C) kako biste povećali prianjanje, tako da blokada paste bude ujednačena 20-30 minuta.
2 Utovar: pregrada za podizanje i spuštanje —– 2-3 puta rezanje —-4-10MPa zbijanje
3 predtlaka: tlak 20-25 MPa, vrijeme 3-5 minuta, tijekom usisavanja
4 ekstruzija: pritisnite pregradu — ekstruzija 5-15 MPa — rez — u rashladni sud
Tehnički parametri ekstruzije: omjer kompresije, temperatura komore za prešu i mlaznice, temperatura hlađenja, vrijeme prednaprezanja, tlak ekstruzije, brzina ekstruzije, temperatura rashladne vode
Inspekcija zelenog tijela: nasipna gustoća, ispitivanje izgleda, analiza
Kalcinacija: To je postupak u kojem se zeleni materijal od ugljičnog proizvoda puni u posebno dizajniranu peć za zagrijavanje pod zaštitom punila kako bi se provela visokotemperaturna toplinska obrada za karbonizaciju ugljene smole u zelenom materijalu. Bitumenski koks koji nastaje nakon karbonizacije ugljenog bitumena učvršćuje ugljični agregat i čestice praha zajedno, a kalcinirani ugljični proizvod ima visoku mehaničku čvrstoću, nisku električnu otpornost, dobru toplinsku stabilnost i kemijsku stabilnost.
Kalcinacija je jedan od glavnih procesa u proizvodnji ugljičnih proizvoda, a također je važan dio tri glavna procesa toplinske obrade u proizvodnji grafitnih elektroda. Proizvodni ciklus kalcinacije je dug (22-30 dana za pečenje, 5-20 dana za peći za 2 pečenja) i ima veću potrošnju energije. Kvaliteta zelenog prženja utječe na kvalitetu gotovog proizvoda i troškove proizvodnje.
Zelena ugljena smola u zelenom tijelu se koksira tijekom procesa prženja, pri čemu se ispušta oko 10% hlapljivih tvari, a volumen se povećava skupljajući se za 2-3%, a gubitak mase je 8-10%. Fizikalna i kemijska svojstva ugljičnog gredice također su se značajno promijenila. Poroznost se smanjila s 1,70 g/cm3 na 1,60 g/cm3, a otpornost se smanjila s 10000 μΩ·m na 40-50 μΩ·m zbog povećanja poroznosti. Mehanička čvrstoća kalcinirane gredice također je bila velika. Za poboljšanje.
Sekundarno pečenje je postupak u kojem se kalcinirani proizvod uranja, a zatim kalcinira kako bi se karbonizirala smola uronjena u pore kalciniranog proizvoda. Elektrode koje zahtijevaju veću gustoću (sve vrste osim RP) i spojni blankovi moraju se dvostruko peći, a spojni blankovi se također podvrgavaju trostrukom četverostrukom pečenju ili dvostrukom trostrukom pečenju.
Glavna vrsta peći pržionice:
Kontinuirani rad - prstenasta peć (s poklopcem, bez poklopca), tunelska peć
Povremeni rad - obrnuta peć, podna peć za pečenje, kutijska peć za pečenje
Krivulja kalcinacije i maksimalna temperatura:
Jednokratno pečenje—-320, 360, 422, 480 sati, 1250 °C
Sekundarno prženje - 125, 240, 280 sati, 700-800 °C
Inspekcija pečenih proizvoda: izgled kuckanjem, električni otpor, nasipna gustoća, tlačna čvrstoća, analiza unutarnje strukture
Impregnacija je proces u kojem se ugljični materijal stavlja u tlačnu posudu, a tekuća impregnacijska smola uranja u pore elektrode proizvoda pod određenim uvjetima temperature i tlaka. Svrha je smanjiti poroznost proizvoda, povećati gustoću i mehaničku čvrstoću proizvoda te poboljšati električnu i toplinsku vodljivost proizvoda.
Proces impregnacije i povezani tehnički parametri su: pečenje gredice – čišćenje površine – predgrijavanje (260-380 °C, 6-10 sati) – punjenje spremnika za impregnaciju – usisavanje (8-9KPa, 40-50min) – ubrizgavanje bitumena (180-200 °C) – tlačenje (1,2-1,5 MPa, 3-4 sata) – povratak u asfalt – hlađenje (unutar ili izvan spremnika)
Inspekcija impregniranih proizvoda: stopa porasta težine impregnacije G=(W2-W1)/W1×100%
Stopa porasta težine nakon jednog umaka ≥14%
Stopa povećanja težine sekundarno impregniranog proizvoda ≥ 9%
Stopa povećanja težine triju proizvoda za umakanje ≥ 5%
Grafitizacija se odnosi na proces toplinske obrade na visokim temperaturama u kojem se ugljični proizvod zagrijava na temperaturu od 2300 °C ili više u zaštitnom mediju u visokotemperaturnoj električnoj peći kako bi se amorfna slojevita struktura ugljika pretvorila u trodimenzionalnu uređenu kristalnu strukturu grafita.
Svrha i učinak grafitizacije:
1 poboljšati vodljivost i toplinsku vodljivost ugljičnog materijala (otpornost se smanjuje 4-5 puta, a toplinska vodljivost se povećava oko 10 puta);
2 poboljšati otpornost na toplinske udare i kemijsku stabilnost ugljičnog materijala (koeficijent linearnog širenja smanjen za 50-80%);
3 kako bi se osigurala mazivost i otpornost na abraziju ugljičnog materijala;
4 Nečistoće u ispušnim plinovima, poboljšavaju čistoću ugljičnog materijala (sadržaj pepela u proizvodu smanjuje se s 0,5-0,8% na oko 0,3%).
Realizacija procesa grafitizacije:
Grafitizacija ugljičnog materijala provodi se na visokoj temperaturi od 2300-3000 °C, pa se u industriji može ostvariti samo električnim zagrijavanjem, odnosno struja izravno prolazi kroz zagrijani kalcinirani proizvod, a kalcinirani proizvod koji se puni u peć generira se električnom strujom na visokoj temperaturi. Vodič je opet objekt koji se zagrijava na visoku temperaturu.
Peći koje se trenutno široko koriste uključuju Achesonove peći za grafitizaciju i peći s unutarnjim kaskadnim zagrijavanjem (LWG). Prva ima veliki učinak, veliku temperaturnu razliku i visoku potrošnju energije. Potonja ima kratko vrijeme zagrijavanja, nisku potrošnju energije, ujednačen električni otpor i nije prikladna za montažu.
Kontrola procesa grafitizacije kontrolira se mjerenjem krivulje električne snage koja je prikladna za uvjete porasta temperature. Vrijeme napajanja je 50-80 sati za Achesonovu peć i 9-15 sati za LWG peć.
Potrošnja energije grafitizacije je vrlo velika, općenito 3200-4800 kWh, a trošak procesa čini oko 20-35% ukupnih troškova proizvodnje.
Inspekcija grafitiziranih proizvoda: ispitivanje izgleda, ispitivanje otpornosti
Strojna obrada: Svrha mehaničke strojne obrade ugljikovo-grafitnih materijala je postizanje potrebne veličine, oblika, preciznosti itd. rezanjem kako bi se tijelo elektrode i spojevi izradili u skladu sa zahtjevima upotrebe.
Obrada grafitnih elektroda podijeljena je na dva neovisna procesa obrade: tijelo elektrode i spoj.
Obrada tijela uključuje tri koraka: bušenje i grubo obrađenje ravne čeone površine, vanjskog kruga i ravne čeone površine te glodanje navoja. Obrada konusnog spoja može se podijeliti u 6 procesa: rezanje, ravna čeona površina, konusna površina automobila, glodanje navoja, bušenje vijaka i utorivanje.
Spajanje elektrodnih spojeva: konusni spoj (tri kopče i jedna kopča), cilindrični spoj, spoj s ispupčenjem (muški i ženski spoj)
Kontrola točnosti obrade: odstupanje konusa navoja, korak navoja, odstupanje velikog promjera spoja (rupe), koaksijalnost rupe spoja, vertikalnost rupe spoja, ravnost čeone površine elektrode, odstupanje spoja u četiri točke. Provjerite posebnim prstenastim i pločastim mjeračima.
Inspekcija gotovih elektroda: točnost, težina, duljina, promjer, gustoća u nasipu, otpornost, tolerancija prije montaže itd.
Vrijeme objave: 31. listopada 2019.