Proses produksi elektroda grafit

Elektroda grafit merupakan bahan konduktif grafit tahan suhu tinggi yang diproduksi dengan cara mengaduk minyak bumi, kokas jarum sebagai agregat dan bitumen batubara sebagai pengikat, yang diproduksi melalui serangkaian proses seperti pengadukan, pencetakan, pemanggangan, impregnasi, grafitasi dan pemrosesan mekanis.

Elektroda grafit merupakan material konduktif suhu tinggi yang penting untuk pembuatan baja listrik. Elektroda grafit digunakan untuk memasukkan energi listrik ke tungku listrik, dan suhu tinggi yang dihasilkan oleh busur antara ujung elektroda dan muatan digunakan sebagai sumber panas untuk melelehkan muatan untuk pembuatan baja. Tungku bijih lain yang melebur material seperti fosfor kuning, silikon industri, dan bahan abrasif juga menggunakan elektroda grafit sebagai material konduktif. Sifat fisik dan kimia elektroda grafit yang sangat baik dan istimewa juga banyak digunakan di sektor industri lainnya.
Bahan baku untuk produksi elektroda grafit adalah kokas minyak bumi, kokas jarum, dan ter tar batubara.

Kokas minyak bumi merupakan produk padat yang mudah terbakar yang diperoleh dengan mengolah residu batu bara dan minyak ter. Warnanya hitam dan berpori, unsur utamanya adalah karbon, dan kadar abunya sangat rendah, umumnya di bawah 0,5%. Kokas minyak bumi termasuk dalam golongan karbon yang mudah digrafitisasi. Kokas minyak bumi memiliki berbagai macam kegunaan dalam industri kimia dan metalurgi. Kokas minyak bumi merupakan bahan baku utama untuk memproduksi produk grafit buatan dan produk karbon untuk aluminium elektrolit.

Kokas minyak bumi dapat dibagi menjadi dua jenis: kokas mentah dan kokas kalsinasi menurut suhu perlakuan panas. Kokas minyak bumi bekas yang diperoleh melalui kokas tunda mengandung sejumlah besar zat volatil, dan kekuatan mekanisnya rendah. Kokas kalsinasi diperoleh melalui kalsinasi kokas mentah. Sebagian besar kilang di Tiongkok hanya memproduksi kokas, dan operasi kalsinasi sebagian besar dilakukan di pabrik karbon.

Kokas minyak bumi dapat dibagi menjadi kokas bersulfur tinggi (mengandung lebih dari 1,5% sulfur), kokas bersulfur sedang (mengandung 0,5%-1,5% sulfur), dan kokas bersulfur rendah (mengandung kurang dari 0,5% sulfur). Produksi elektroda grafit dan produk grafit buatan lainnya umumnya diproduksi menggunakan kokas bersulfur rendah.

Kokas jarum merupakan jenis kokas berkualitas tinggi dengan tekstur berserat yang jelas, koefisien ekspansi termal yang sangat rendah, dan grafitasi yang mudah. ​​Ketika kokas dipecah, kokas dapat dipecah menjadi potongan-potongan tipis sesuai teksturnya (rasio aspek umumnya di atas 1,75). Struktur berserat anisotropik dapat diamati di bawah mikroskop polarisasi, dan oleh karena itu disebut sebagai kokas jarum.

Anisotropi sifat fisiko-mekanik kokas jarum sangat jelas. Ia memiliki konduktivitas listrik dan termal yang baik sejajar dengan arah sumbu panjang partikel, dan koefisien ekspansi termal rendah. Saat pencetakan ekstrusi, sumbu panjang sebagian besar partikel disusun dalam arah ekstrusi. Oleh karena itu, kokas jarum adalah bahan baku utama untuk pembuatan elektroda grafit berdaya tinggi atau berdaya sangat tinggi. Elektroda grafit yang dihasilkan memiliki resistivitas rendah, koefisien ekspansi termal kecil, dan ketahanan guncangan termal yang baik.

Kokas jarum dibagi menjadi kokas jarum berbahan dasar minyak yang diproduksi dari residu minyak bumi dan kokas jarum berbahan dasar batu bara yang diproduksi dari bahan baku ter batubara olahan.

Tar batubara merupakan salah satu produk utama dari pemrosesan tar batubara secara mendalam. Tar batubara merupakan campuran berbagai hidrokarbon, berwarna hitam pada suhu tinggi, semi padat atau padat pada suhu tinggi, tidak memiliki titik leleh yang tetap, melunak setelah dipanaskan, kemudian dicairkan, dengan kepadatan 1,25-1,35 g/cm3. Berdasarkan titik pelunakannya, tar batubara dibagi menjadi aspal suhu rendah, suhu sedang, dan suhu tinggi. Hasil aspal suhu sedang adalah 54-56% dari tar batubara. Komposisi tar batubara sangat rumit, yang terkait dengan sifat-sifat tar batubara dan kandungan heteroatom, dan juga dipengaruhi oleh sistem proses kokas dan kondisi pemrosesan tar batubara. Ada banyak indikator untuk mengkarakterisasi tar batubara, seperti titik pelunakan bitumen, toluena tidak larut (TI), quinoline tidak larut (QI), nilai kokas, dan reologi tar batubara.

Tar batubara digunakan sebagai bahan pengikat dan impregnan dalam industri karbon, dan kinerjanya memiliki dampak besar pada proses produksi dan kualitas produk karbon. Aspal pengikat umumnya menggunakan aspal yang dimodifikasi pada suhu sedang atau suhu sedang yang memiliki titik pelunakan sedang, nilai kokas tinggi, dan resin β tinggi. Agen impregnasi adalah aspal suhu sedang yang memiliki titik pelunakan rendah, QI rendah, dan sifat reologi yang baik.

Gambar berikut menunjukkan proses produksi elektroda grafit di perusahaan karbon.
Kalsinasi: Bahan baku berkarbon diolah dengan panas pada suhu tinggi untuk mengeluarkan air dan zat volatil yang terkandung di dalamnya, dan proses produksi yang sesuai dengan peningkatan kinerja pemasakan awal disebut kalsinasi. Umumnya, bahan baku berkarbon dikalsinasi dengan menggunakan gas dan zat volatilnya sendiri sebagai sumber panas, dan suhu maksimumnya adalah 1250-1350 °C.

Kalsinasi membuat perubahan mendalam pada struktur dan sifat fisikokimia bahan baku karbon, terutama dalam meningkatkan kepadatan, kekuatan mekanis dan konduktivitas listrik kokas, meningkatkan stabilitas kimia dan ketahanan oksidasi kokas, meletakkan dasar untuk proses selanjutnya.

Peralatan kalsinasi terutama meliputi kalsiner tangki, tanur putar, dan kalsiner listrik. Indeks kendali mutu kalsinasi adalah bahwa densitas sebenarnya dari kokas minyak bumi tidak kurang dari 2,07 g/cm3, resistivitasnya tidak lebih dari 550μΩ.m, densitas sebenarnya dari kokas jarum tidak kurang dari 2,12 g/cm3, dan resistivitasnya tidak lebih dari 500μΩ.m.
Penghancuran bahan baku dan bahan-bahan

Sebelum pencampuran, kokas minyak bumi yang dikalsinasi dalam jumlah besar dan kokas jarum harus dihancurkan, digiling, dan diayak.

Penghancuran sedang biasanya dilakukan oleh peralatan penghancur sekitar 50 mm melalui penghancur rahang, penghancur palu, penghancur rol dan sejenisnya untuk menghancurkan lebih lanjut bahan berukuran 0,5-20 mm yang diperlukan untuk pengadukan.

Penggilingan merupakan proses penggilingan bahan berkarbon menjadi partikel halus seperti tepung dengan ukuran 0,15 mm atau kurang dan ukuran partikel 0,075 mm atau kurang dengan menggunakan penggiling rol cincin tipe suspensi (penggilingan Raymond), penggiling bola, atau sejenisnya.

Penyaringan adalah proses di mana berbagai macam material setelah dihancurkan dibagi menjadi beberapa rentang ukuran partikel dengan rentang ukuran yang sempit melalui serangkaian saringan dengan bukaan yang seragam. Produksi elektroda saat ini biasanya membutuhkan 4-5 pelet dan 1-2 jenis bubuk.

Bahan baku merupakan proses produksi untuk menghitung, menimbang, dan memfokuskan berbagai agregat, serbuk, dan pengikat sesuai dengan persyaratan formulasi. Kesesuaian ilmiah formulasi dan stabilitas operasi pengadukan merupakan salah satu faktor terpenting yang memengaruhi indeks kualitas dan kinerja produk.

Rumus tersebut perlu menentukan 5 aspek:
1Pilih jenis bahan baku;
2 menentukan proporsi berbagai jenis bahan baku;
3 menentukan komposisi ukuran partikel bahan baku padat;
4 menentukan jumlah bahan pengikat;
5 Tentukan jenis dan jumlah aditif.

Pengadukan: Mencampur dan mengukur kuantitas butiran dan bubuk karbon dengan berbagai ukuran partikel dengan sejumlah bahan pengikat pada suhu tertentu, dan mengaduk pasta plastisitas ke dalam suatu proses yang disebut pengadukan.

Proses pengadukan: pengadukan kering (20-35 menit) pengadukan basah (40-55 menit)

Peranan Pengaduk :
1 Saat pencampuran kering, berbagai bahan baku dicampur secara merata, dan bahan karbon padat dengan ukuran partikel berbeda dicampur dan diisi secara merata untuk meningkatkan kekompakan campuran;
2 Setelah menambahkan tar batubara, bahan kering dan aspal dicampur secara merata. Aspal cair melapisi dan membasahi permukaan butiran secara merata untuk membentuk lapisan pengikat aspal, dan semua bahan terikat satu sama lain untuk membentuk lapisan plastik yang homogen. Kondusif untuk pencetakan;
3 bagian tar batubara menembus ke dalam ruang bagian dalam bahan karbon, yang selanjutnya meningkatkan kepadatan dan kekompakan pasta.

Pencetakan: Pencetakan bahan karbon mengacu pada proses deformasi plastik pasta karbon yang diremas di bawah gaya eksternal yang diterapkan oleh peralatan pencetakan untuk akhirnya membentuk benda hijau (atau produk mentah) yang memiliki bentuk, ukuran, kepadatan, dan kekuatan tertentu.

Jenis cetakan, peralatan dan produk yang diproduksi:
Metode pencetakan
Peralatan umum
produk utama
Cetakan
Mesin press hidrolik vertikal
Karbon listrik, grafit struktur halus tingkat rendah
Meremas
Ekstruder hidrolik horizontal
Ekstruder sekrup
Elektroda grafit, elektroda persegi
Cetakan getaran
Mesin cetak getaran
Bata karbon aluminium, bata karbon tanur tinggi
Penekanan isostatik
Mesin cetak isostatik
Grafit isotropik, grafit anisotropik

Operasi pemerasan
1 bahan dingin: bahan pendingin cakram, bahan pendingin silinder, bahan pendingin pencampur dan pengadukan, dll.
Buang zat volatil, turunkan ke suhu yang sesuai (90-120 ° C) untuk meningkatkan daya rekat, sehingga kekentalan pasta seragam selama 20-30 menit.
2 Pemuatan: tekan angkat baffle —– 2-3 kali pemotongan —-4-10MPa pemadatan
3 pra-tekanan: tekanan 20-25MPa, waktu 3-5 menit, saat menyedot debu
4 ekstrusi: tekan baffle —5-15MPa ekstrusi — potong — ke dalam wastafel pendingin

Parameter teknis ekstrusi: rasio kompresi, suhu ruang tekan dan nosel, suhu pendinginan, waktu tekanan preload, tekanan ekstrusi, kecepatan ekstrusi, suhu air pendingin

Inspeksi benda hijau: kepadatan massal, penyadapan penampilan, analisis

Kalsinasi: Ini adalah proses di mana badan hijau produk karbon diisi dalam tungku pemanas yang dirancang khusus di bawah perlindungan pengisi untuk melakukan perlakuan panas suhu tinggi untuk mengkarbonisasi pitch batubara di badan hijau. Kokas bitumen yang terbentuk setelah karbonisasi bitumen batubara memadatkan agregat karbon dan partikel bubuk bersama-sama, dan produk karbon yang dikalsinasi memiliki kekuatan mekanis yang tinggi, resistivitas listrik yang rendah, stabilitas termal yang baik dan stabilitas kimia.

Kalsinasi merupakan salah satu proses utama dalam produksi produk karbon, dan juga merupakan bagian penting dari tiga proses perlakuan panas utama produksi elektroda grafit. Siklus produksi kalsinasi panjang (22-30 hari untuk pemanggangan, 5-20 hari untuk tungku untuk 2 pemanggangan), dan konsumsi energi yang lebih tinggi. Kualitas pemanggangan hijau berdampak pada kualitas produk akhir dan biaya produksi.

Pitch batu bara hijau di badan hijau mengalami kokas selama proses pemanggangan, dan sekitar 10% dari zat volatil dilepaskan, dan volumenya dihasilkan oleh penyusutan 2-3%, dan kehilangan massa adalah 8-10%. Sifat fisik dan kimia dari billet karbon juga berubah secara signifikan. Porositas menurun dari 1,70 g/cm3 menjadi 1,60 g/cm3 dan resistivitas menurun dari 10000 μΩ·m menjadi 40-50 μΩ·m karena peningkatan porositas. Kekuatan mekanis billet yang dikalsinasi juga besar. Untuk perbaikan.

Pemanggangan sekunder adalah proses di mana produk yang dikalsinasi direndam dan kemudian dikalsinasi untuk mengkarbonisasi pitch yang direndam dalam pori-pori produk yang dikalsinasi. Elektroda yang memerlukan kepadatan massal yang lebih tinggi (semua jenis kecuali RP) dan blanko sambungan harus dipanggang dua kali, dan blanko sambungan juga mengalami tiga kali celupan empat kali panggang atau dua kali celupan tiga kali panggang.

Tipe tungku utama pemanggang:
Operasi berkelanjutan—-tungku cincin (dengan penutup, tanpa penutup), kiln terowongan
Operasi terputus-putus—-kiln terbalik, pemanggang bawah lantai, pemanggang kotak

Kurva kalsinasi dan suhu maksimum:
Pemanggangan satu kali—-320, 360, 422, 480 jam, 1250 °C
Pemanggangan sekunder—-125, 240, 280 jam, 700-800 °C

Pemeriksaan produk panggang: penyadapan penampilan, resistivitas listrik, kerapatan curah, kekuatan tekan, analisis struktur internal

Impregnasi adalah proses di mana bahan karbon ditempatkan dalam bejana bertekanan dan cairan impregnant dibenamkan ke dalam pori-pori elektroda produk dalam kondisi suhu dan tekanan tertentu. Tujuannya adalah untuk mengurangi porositas produk, meningkatkan densitas massal dan kekuatan mekanis produk, serta meningkatkan konduktivitas listrik dan termal produk.

Proses impregnasi dan parameter teknis terkait adalah: memanggang billet – pembersihan permukaan – pemanasan awal (260-380 °C, 6-10 jam) – memuat tangki impregnasi – penyedotan (8-9KPa, 40-50 menit) – Penyuntikan bitumen (180-200 °C) – Pemberian tekanan (1,2-1,5 MPa, 3-4 jam) – Kembali ke aspal – Pendinginan (di dalam atau luar tangki)

Pemeriksaan produk yang diimpregnasi: tingkat pertambahan berat impregnasi G=(W2-W1)/W1×100%
Tingkat kenaikan berat badan sekali celup ≥14%
Tingkat pertambahan berat produk impregnasi sekunder ≥ 9%
Tiga produk pencelupan tingkat kenaikan berat badan ≥ 5%

Grafitisasi mengacu pada proses perlakuan panas suhu tinggi di mana produk karbon dipanaskan hingga suhu 2300 ° C atau lebih dalam media pelindung di tungku listrik suhu tinggi untuk mengubah karbon berstruktur berlapis amorf menjadi struktur kristal grafit teratur tiga dimensi.

Tujuan dan efek grafitasi:
1 meningkatkan konduktivitas dan konduktivitas termal bahan karbon (resistivitas berkurang 4-5 kali, dan konduktivitas termal meningkat sekitar 10 kali);
2 meningkatkan ketahanan terhadap guncangan termal dan stabilitas kimia bahan karbon (koefisien ekspansi linier berkurang 50-80%);
3 untuk membuat bahan karbon pelumasan dan ketahanan abrasi;
4 Membuang kotoran, meningkatkan kemurnian bahan karbon (kandungan abu produk berkurang dari 0,5-0,8% menjadi sekitar 0,3%).

Realisasi proses grafitasi:

Grafitisasi bahan karbon dilakukan pada suhu tinggi 2300-3000 °C, sehingga hanya dapat dilakukan dengan pemanasan listrik di industri, yaitu arus listrik langsung melewati produk kalsinasi yang dipanaskan, dan produk kalsinasi yang diisi ke dalam tungku dibangkitkan oleh arus listrik pada suhu tinggi. Konduktornya lagi-lagi adalah benda yang dipanaskan hingga suhu tinggi.

Tungku yang saat ini banyak digunakan meliputi tungku grafitasi Acheson dan tungku kaskade panas internal (LWG). Tungku pertama memiliki output besar, perbedaan suhu besar, dan konsumsi daya tinggi. Tungku kedua memiliki waktu pemanasan singkat, konsumsi daya rendah, resistivitas listrik seragam, dan tidak cocok untuk pemasangan.

Pengendalian proses grafitasi dilakukan dengan mengukur kurva daya listrik yang sesuai dengan kondisi kenaikan suhu. Waktu suplai daya adalah 50-80 jam untuk tungku Acheson dan 9-15 jam untuk tungku LWG.

Konsumsi daya grafitasi sangat besar, umumnya 3200-4800KWh, dan biaya prosesnya mencapai sekitar 20-35% dari total biaya produksi.

Pemeriksaan produk grafit: penyadapan penampilan, uji resistivitas

Pemesinan: Tujuan pemesinan mekanis bahan grafit karbon adalah untuk mencapai ukuran, bentuk, presisi, dll. yang dibutuhkan melalui pemotongan untuk membuat badan elektroda dan sambungan sesuai dengan persyaratan penggunaan.

Pengolahan elektroda grafit dibagi menjadi dua proses pengolahan independen: badan elektroda dan sambungan.

Pemrosesan bodi meliputi tiga langkah yaitu pengeboran dan permukaan ujung datar kasar, lingkaran luar dan permukaan ujung datar serta penggilingan ulir. Pemrosesan sambungan kerucut dapat dibagi menjadi 6 proses: pemotongan, permukaan ujung datar, permukaan kerucut mobil, penggilingan ulir, pengeboran baut dan pembuatan alur.

Sambungan elektroda: sambungan kerucut (tiga gesper dan satu gesper), sambungan silinder, sambungan tonjolan (sambungan jantan dan betina)

Kontrol akurasi pemesinan: deviasi taper ulir, pitch ulir, deviasi diameter besar sambungan (lubang), koaksialitas lubang sambungan, vertikalitas lubang sambungan, kerataan permukaan ujung elektroda, deviasi empat titik sambungan. Periksa dengan pengukur cincin khusus dan pengukur pelat.

Pemeriksaan elektroda yang sudah jadi: akurasi, berat, panjang, diameter, kerapatan massal, resistivitas, toleransi pra-perakitan, dll.