Proses produksi elektroda grafit

Elektroda grafit adalah material konduktif grafit tahan suhu tinggi yang diproduksi dari campuran minyak bumi, kokas jarum sebagai agregat, dan bitumen batubara sebagai pengikat, yang diproduksi melalui serangkaian proses seperti pencampuran, pencetakan, pemanggangan, impregnasi, grafitisasi, dan pemrosesan mekanis.

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

Kokas minyak bumi adalah produk padat yang mudah terbakar yang diperoleh dari residu batubara kokas dan ter minyak bumi. Warnanya hitam dan berpori, unsur utamanya adalah karbon, dan kadar abunya sangat rendah, umumnya di bawah 0,5%. Kokas minyak bumi termasuk dalam kelas karbon yang mudah digrafitisasi. Kokas minyak bumi memiliki berbagai macam kegunaan dalam industri kimia dan metalurgi. Ini adalah bahan baku utama untuk memproduksi produk grafit buatan dan produk karbon untuk aluminium elektrolitik.

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

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

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

Anisotropi sifat fisik-mekanis kokas jarum sangat jelas. Kokas jarum memiliki konduktivitas listrik dan termal yang baik sejajar dengan arah sumbu panjang partikel, dan koefisien ekspansi termalnya rendah. Saat dicetak dengan ekstrusi, sumbu panjang sebagian besar partikel tersusun searah dengan arah ekstrusi. Oleh karena itu, kokas jarum merupakan bahan baku utama untuk pembuatan elektroda grafit berdaya tinggi atau ultra-tinggi. Elektroda grafit yang dihasilkan memiliki resistivitas rendah, koefisien ekspansi termal kecil, dan ketahanan terhadap guncangan termal yang baik.

Kokas jarum terbagi menjadi kokas jarum berbasis minyak yang diproduksi dari residu minyak bumi dan kokas jarum berbasis batubara yang diproduksi dari bahan baku pitch batubara olahan.

Tar batubara adalah salah satu produk utama dari pengolahan 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 tetap, melunak setelah dipanaskan, dan kemudian meleleh, dengan densitas 1,25-1,35 g/cm³. Berdasarkan titik lunaknya, tar batubara dibagi menjadi aspal suhu rendah, suhu menengah, dan suhu tinggi. Hasil aspal suhu menengah adalah 54-56% dari tar batubara. Komposisi tar batubara sangat kompleks, yang berkaitan dengan sifat-sifat tar batubara dan kandungan heteroatom, serta dipengaruhi oleh sistem proses kokasifikasi dan kondisi pengolahan tar batubara. Terdapat banyak indikator untuk mengkarakterisasi terak batubara, seperti titik lunak bitumen, zat tak larut toluena (TI), zat tak larut kuinolin (QI), nilai kokasifikasi, dan reologi terak batubara.

Tar batubara digunakan sebagai pengikat dan bahan impregnasi dalam industri karbon, dan kinerjanya sangat berpengaruh pada proses produksi dan kualitas produk karbon. Aspal pengikat umumnya menggunakan aspal suhu menengah atau aspal modifikasi suhu menengah yang memiliki titik lunak sedang, nilai kokas tinggi, dan resin β tinggi. Bahan impregnasi adalah aspal suhu menengah yang memiliki titik lunak rendah, QI rendah, dan sifat reologi yang baik.

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

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

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

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

Penghancuran sedang biasanya dilakukan dengan peralatan penghancur berukuran sekitar 50 mm melalui penghancur rahang, penghancur palu, penghancur rol, dan sejenisnya untuk menghancurkan lebih lanjut material berukuran 0,5-20 mm yang dibutuhkan untuk pencampuran.

Penggilingan adalah proses menghaluskan bahan berkarbon menjadi partikel kecil berbentuk bubuk berukuran 0,15 mm atau kurang dan ukuran partikel 0,075 mm atau kurang dengan menggunakan penggiling rol cincin tipe suspensi (penggiling 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 tingkatan bubuk.

Bahan-bahan adalah proses produksi untuk menghitung, menimbang, dan memfokuskan berbagai agregat, bubuk, dan pengikat sesuai dengan persyaratan formulasi. Kesesuaian ilmiah formulasi dan stabilitas operasi pencampuran merupakan faktor terpenting yang memengaruhi indeks kualitas dan kinerja produk.

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

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

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

Peran menguleni:
1. Saat pencampuran kering, berbagai bahan baku tercampur secara merata, dan bahan karbon padat dengan ukuran partikel berbeda tercampur dan terisi secara merata untuk meningkatkan kekompakan campuran;
2. Setelah menambahkan ter pitch batubara, bahan kering dan aspal dicampur secara merata. Aspal cair melapisi dan membasahi permukaan butiran secara merata untuk membentuk lapisan perekat aspal, dan semua bahan terikat satu sama lain untuk membentuk lapisan plastis yang homogen. Memudahkan proses pencetakan;
3 bagian ter pitch batubara menembus ke dalam ruang bagian dalam material berkarbon, sehingga semakin meningkatkan kepadatan dan kekompakan pasta.

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

Jenis-jenis pencetakan, peralatan, dan produk yang dihasilkan:
Metode pencetakan
Peralatan umum
produk utama
Cetakan
Mesin pres hidrolik vertikal
Karbon listrik, grafit struktur halus tingkat rendah
Meremas
Ekstruder hidrolik horizontal
Ekstruder ulir
Elektroda grafit, elektroda persegi
Pencetakan getaran
Mesin cetak getaran
Batu bata karbon aluminium, batu bata karbon tanur tinggi
Tekanan isostatik
Mesin cetak isostatik
Grafit isotropik, grafit anisotropik

Operasi pemerasan
1. Bahan pendingin: bahan pendingin cakram, bahan pendingin silinder, bahan pendingin pencampuran dan pengadukan, dll.
Buang zat-zat yang mudah menguap, turunkan suhu hingga suhu yang sesuai (90-120 °C) untuk meningkatkan daya rekat, sehingga kekompakan pasta menjadi seragam selama 20-30 menit.
2. Pemuatan: tekan angkat sekat —– pemotongan 2-3 kali —- pemadatan 4-10 MPa
3. Pra-tekanan: tekanan 20-25MPa, waktu 3-5 menit, sambil melakukan vakum.
4. Ekstrusi: tekan sekat ke bawah —ekstrusi 5-15MPa — potong — ke dalam bak pendingin

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

Inspeksi badan hijau: kepadatan curah, pengetukan penampilan, analisis

Kalsinasi: Ini adalah proses di mana produk karbon mentah diisi ke dalam tungku pemanas yang dirancang khusus di bawah perlindungan pengisi untuk melakukan perlakuan panas suhu tinggi guna mengkarbonisasi terak batubara dalam produk mentah tersebut. Kokas bitumen yang terbentuk setelah karbonisasi bitumen batubara memadatkan agregat karbon dan partikel bubuk bersama-sama, dan produk karbon hasil kalsinasi memiliki kekuatan mekanik yang tinggi, resistivitas listrik yang rendah, stabilitas termal yang baik, dan stabilitas kimia yang baik.

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

Aspal hijau dalam badan mentah mengalami kokas selama proses pemanggangan, dan sekitar 10% zat volatil dikeluarkan, dan volumenya menyusut 2-3%, serta kehilangan massanya 8-10%. Sifat fisik dan kimia billet karbon juga berubah secara signifikan. Porositas menurun dari 1,70 g/cm³ menjadi 1,60 g/cm³ dan resistivitas menurun dari 10.000 μΩ·m menjadi 40-50 μΩ·m karena peningkatan porositas. Kekuatan mekanik billet yang dikalsinasi juga meningkat. Untuk perbaikan.

Proses pemanggangan sekunder adalah proses di mana produk yang telah dikalsinasi direndam dan kemudian dikalsinasi untuk mengkarbonisasi pitch yang terendam dalam pori-pori produk yang telah dikalsinasi. Elektroda yang membutuhkan kepadatan curah lebih tinggi (semua varietas kecuali RP) dan blanko sambungan diharuskan untuk dipanggang dua kali, dan blanko sambungan juga dikenai proses tiga kali celup empat kali pemanggangan atau dua kali celup tiga kali pemanggangan.

Jenis tungku utama pada pemanggang:
Pengoperasian berkelanjutan—tungku cincin (dengan penutup, tanpa penutup), kiln terowongan
Pengoperasian intermiten—-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

Inspeksi produk roti: pengetukan tampilan, resistivitas listrik, kepadatan curah, kekuatan tekan, analisis struktur internal.

Impregnasi adalah proses di mana material karbon ditempatkan dalam bejana bertekanan dan cairan impregnasi berupa pitch direndam dalam pori-pori elektroda produk di bawah kondisi suhu dan tekanan tertentu. Tujuannya adalah untuk mengurangi porositas produk, meningkatkan densitas curah dan kekuatan mekanik produk, serta meningkatkan konduktivitas listrik dan termal produk.

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

Inspeksi produk yang diimpregnasi: tingkat peningkatan berat impregnasi G=(W2-W1)/W1×100%
Tingkat kenaikan berat badan saat penurunan ≥14%
Tingkat peningkatan berat produk impregnasi sekunder ≥ 9%
Tiga produk pencelupan dengan tingkat penambahan 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 dalam tungku listrik suhu tinggi untuk mengubah struktur karbon berlapis amorf menjadi struktur kristal grafit teratur tiga dimensi.

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

Realisasi proses grafitisasi:

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

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

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

Konsumsi daya untuk proses grafitisasi sangat besar, umumnya 3200-4800 kWh, dan biaya prosesnya mencapai sekitar 20-35% dari total biaya produksi.

Inspeksi produk grafit: pengetukan tampilan, uji resistivitas

Pemesinan: Tujuan pemesinan mekanis material grafit karbon adalah untuk mencapai ukuran, bentuk, presisi, dan lain-lain yang dibutuhkan dengan cara memotong 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: 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.

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

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

Inspeksi elektroda jadi: akurasi, berat, panjang, diameter, densitas massal, resistivitas, toleransi pra-perakitan, dll.