L'elettrodo di grafite è un materiale conduttivo di grafite resistente alle alte temperature, prodotto da una miscela di petrolio, coke aghiforme come aggregato e bitume di carbone come legante, attraverso una serie di processi quali impastamento, stampaggio, tostatura, impregnazione, grafitizzazione e lavorazione meccanica.
L'elettrodo di grafite è un importante materiale conduttivo ad alta temperatura per la siderurgia elettrica. L'elettrodo di grafite viene utilizzato per immettere energia elettrica nel forno elettrico e l'alta temperatura generata dall'arco tra l'estremità dell'elettrodo e la carica viene utilizzata come fonte di calore per fondere la carica e produrre acciaio. Anche altri forni per la fusione di materiali come fosforo giallo, silicio industriale e abrasivi utilizzano elettrodi di grafite come materiali conduttivi. Le eccellenti e particolari proprietà fisiche e chimiche degli elettrodi di grafite ne consentono un ampio utilizzo anche in altri settori industriali.
Le materie prime per la produzione di elettrodi di grafite sono il coke di petrolio, il coke aghiforme e il catrame di carbone.
Il coke di petrolio è un prodotto solido infiammabile ottenuto dalla cokizzazione dei residui di carbone e del catrame di petrolio. Si presenta di colore nero e poroso, è composto principalmente da carbonio e ha un contenuto di ceneri molto basso, generalmente inferiore allo 0,5%. Il coke di petrolio appartiene alla classe dei carboni facilmente grafitizzabili. Trova impiego in un'ampia gamma di settori dell'industria chimica e metallurgica. È la principale materia prima per la produzione di grafite artificiale e di prodotti a base di carbonio per l'alluminio elettrolitico.
Il coke di petrolio può essere suddiviso in due tipologie: coke grezzo e coke calcinato, a seconda della temperatura di trattamento termico. Il primo, ottenuto tramite cokizzazione ritardata, contiene un'elevata quantità di sostanze volatili e presenta una bassa resistenza meccanica. Il coke calcinato si ottiene per calcinazione del coke grezzo. La maggior parte delle raffinerie in Cina produce esclusivamente coke e le operazioni di calcinazione vengono effettuate principalmente negli impianti di produzione di carbone.
Il coke di petrolio può essere suddiviso in coke ad alto tenore di zolfo (contenente più dell'1,5% di zolfo), coke a medio tenore di zolfo (contenente dallo 0,5% all'1,5% di zolfo) e coke a basso tenore di zolfo (contenente meno dello 0,5% di zolfo). La produzione di elettrodi di grafite e altri prodotti in grafite artificiale viene generalmente effettuata utilizzando coke a basso tenore di zolfo.
Il coke aghiforme è un tipo di coke di alta qualità caratterizzato da una struttura fibrosa ben definita, un coefficiente di dilatazione termica molto basso e una facile grafitizzazione. Quando viene frantumato, il coke si divide in sottili strisce in base alla sua struttura (il rapporto d'aspetto è generalmente superiore a 1,75). Al microscopio polarizzatore è possibile osservare una struttura fibrosa anisotropa, da cui il nome di coke aghiforme.
L'anisotropia delle proprietà fisico-meccaniche del coke aghiforme è molto evidente. Presenta una buona conduttività elettrica e termica parallela all'asse maggiore delle particelle e un basso coefficiente di dilatazione termica. Durante lo stampaggio per estrusione, l'asse maggiore della maggior parte delle particelle si allinea nella direzione di estrusione. Pertanto, il coke aghiforme è la materia prima fondamentale per la produzione di elettrodi di grafite ad alta o altissima potenza. L'elettrodo di grafite prodotto ha una bassa resistività, un basso coefficiente di dilatazione termica e una buona resistenza agli shock termici.
Il coke aghiforme si divide in coke aghiforme a base di olio, prodotto da residui petroliferi, e coke aghiforme a base di carbone, prodotto da materie prime di pece di carbone raffinata.
Il catrame di carbone è uno dei principali prodotti della lavorazione profonda del catrame di carbone. È una miscela di vari idrocarburi, nero ad alta temperatura, semisolido o solido ad alta temperatura, senza un punto di fusione fisso, che si ammorbidisce dopo il riscaldamento e poi fonde, con una densità di 1,25-1,35 g/cm³. In base al suo punto di rammollimento, viene suddiviso in asfalto a bassa temperatura, a media temperatura e ad alta temperatura. La resa dell'asfalto a media temperatura è del 54-56% rispetto al catrame di carbone. La composizione del catrame di carbone è estremamente complessa ed è correlata alle proprietà del catrame stesso e al contenuto di eteroatomi, ed è influenzata anche dal sistema di cokizzazione e dalle condizioni di lavorazione del catrame di carbone. Esistono molti indicatori per caratterizzare il catrame di carbone, come il punto di rammollimento del bitume, gli insolubili in toluene (TI), gli insolubili in chinolina (QI), i valori di cokizzazione e la reologia del catrame di carbone.
Il catrame di carbone viene utilizzato come legante e impregnante nell'industria del carbonio e le sue prestazioni hanno un grande impatto sul processo produttivo e sulla qualità dei prodotti in carbonio. Il bitume legante è generalmente un bitume modificato a media temperatura o a media temperatura con un punto di rammollimento moderato, un alto valore di cokizzazione e un'elevata resina β. L'agente impregnante è un bitume a media temperatura con un basso punto di rammollimento, un basso QI e buone proprietà reologiche.
L'immagine seguente mostra il processo di produzione degli elettrodi di grafite in un'azienda del settore del carbonio.
Calcinazione: La materia prima carboniosa viene trattata termicamente ad alta temperatura per eliminare l'umidità e le sostanze volatili in essa contenute; il processo produttivo che mira al miglioramento delle prestazioni di cottura originali è chiamato calcinazione. Generalmente, la materia prima carboniosa viene calcinata utilizzando gas e le proprie sostanze volatili come fonte di calore, e la temperatura massima raggiunta è di 1250-1350 °C.
La calcinazione apporta profonde modifiche alla struttura e alle proprietà fisico-chimiche delle materie prime carboniose, principalmente migliorando la densità, la resistenza meccanica e la conduttività elettrica del coke, nonché la sua stabilità chimica e resistenza all'ossidazione, ponendo le basi per i processi successivi.
Le apparecchiature di calcinazione comprendono principalmente forni a serbatoio, forni rotanti e forni elettrici. L'indice di controllo qualità della calcinazione prevede che la densità reale del coke di petrolio non sia inferiore a 2,07 g/cm³, la resistività non sia superiore a 550 μΩ·m, e che la densità reale del coke aghiforme non sia inferiore a 2,12 g/cm³, e la resistività non sia superiore a 500 μΩ·m.
Frantumazione delle materie prime e ingredienti
Prima della miscelazione, il coke di petrolio calcinato e il coke aghiforme sfusi devono essere frantumati, macinati e setacciati.
La frantumazione media viene solitamente effettuata con apparecchiature di frantumazione di circa 50 mm tramite un frantoio a mascelle, un frantoio a martelli, un frantoio a rulli e simili, per frantumare ulteriormente il materiale di granulometria compresa tra 0,5 e 20 mm, necessario per il dosaggio.
La macinazione è un processo di riduzione di un materiale carbonioso in polvere fine, con dimensioni delle particelle pari o inferiori a 0,15 mm e a 0,075 mm, mediante un mulino a rulli anulari a sospensione (mulino Raymond), un mulino a sfere o simili.
La vagliatura è un processo in cui un'ampia gamma di materiali, dopo essere stati frantumati, vengono suddivisi in diverse granulometrie con un intervallo di dimensioni più ristretto attraverso una serie di setacci con aperture uniformi. La produzione di elettrodi attuali richiede in genere 4-5 gradi di pellet e 1-2 gradi di polvere.
Gli ingredienti sono i processi di produzione per il calcolo, la pesatura e la concentrazione dei vari aggregati, polveri e leganti secondo i requisiti di formulazione. L'adeguatezza scientifica della formulazione e la stabilità dell'operazione di dosaggio sono tra i fattori più importanti che influenzano l'indice di qualità e le prestazioni del prodotto.
La formula deve determinare 5 aspetti:
1. Selezionare il tipo di materie prime;
2 determinare la proporzione dei diversi tipi di materie prime;
3 determinare la composizione granulometrica della materia prima solida;
4 determinare la quantità di legante;
5. Determinare il tipo e la quantità di additivi.
Impastamento: Miscelazione e quantificazione di granuli e polveri carboniose di varie dimensioni con una determinata quantità di legante a una certa temperatura, e successiva lavorazione della pasta plastica ottenuta tramite un processo chiamato impastamento.
Processo di impasto: impasto a secco (20-35 min) impasto a umido (40-55 min)
Il ruolo dell'impastamento:
1. Durante la miscelazione a secco, le varie materie prime vengono mescolate uniformemente e i materiali carboniosi solidi di diverse granulometrie vengono mescolati e riempiti in modo uniforme per migliorare la compattezza della miscela;
2 Dopo aver aggiunto la pece di catrame di carbone, il materiale secco e l'asfalto vengono miscelati uniformemente. L'asfalto liquido riveste e inumidisce uniformemente la superficie dei granuli per formare uno strato legante di asfalto, e tutti i materiali si legano tra loro per formare una pasta plastica omogenea. Favorisce la formatura;
3 parti di pece di catrame di carbone penetrano nello spazio interno del materiale carbonioso, aumentando ulteriormente la densità e la coesione della pasta.
Stampaggio: Lo stampaggio del materiale in carbonio si riferisce al processo di deformazione plastica della pasta di carbonio impastata sotto la forza esterna applicata dall'attrezzatura di stampaggio per formare infine un corpo verde (o prodotto grezzo) avente una determinata forma, dimensione, densità e resistenza.
Tipologie di stampaggio, attrezzature e prodotti realizzati:
Metodo di stampaggio
Attrezzatura comune
prodotti principali
Stampaggio
pressa idraulica verticale
Carbonio elettrico, grafite a struttura fine di bassa qualità
Stretta
Estrusore idraulico orizzontale
Estrusore a vite
Elettrodo di grafite, elettrodo quadrato
Stampaggio a vibrazione
Macchina per stampaggio a vibrazione
mattoni di carbonio in alluminio, mattoni di carbonio per altoforno
Pressatura isostatica
Macchina per stampaggio isostatico
Grafite isotropica, grafite anisotropica
Operazione di compressione
1. Materiale di raffreddamento: materiale di raffreddamento a disco, materiale di raffreddamento a cilindro, materiali di raffreddamento per miscelazione e impastamento, ecc.
Scaricare i componenti volatili, ridurre a una temperatura adeguata (90-120 °C) per aumentare l'adesione, in modo che la compattezza della pasta sia uniforme per 20-30 minuti.
2 Caricamento: pressa solleva deflettore —– 2-3 volte taglio—-4-10MPa compattazione
3 pre-pressione: pressione 20-25 MPa, tempo 3-5 min, durante il vuoto
4 estrusione: premere verso il basso il deflettore — estrusione 5-15 MPa — tagliare — nel dissipatore di calore
Parametri tecnici dell'estrusione: rapporto di compressione, temperatura della camera di pressatura e dell'ugello, temperatura di raffreddamento, tempo di precarico, pressione di estrusione, velocità di estrusione, temperatura dell'acqua di raffreddamento.
Ispezione del corpo verde: densità apparente, aspetto, analisi
Calcinazione: È un processo in cui il prodotto carbonioso grezzo viene introdotto in un forno di riscaldamento appositamente progettato, sotto la protezione di un riempitivo, per eseguire un trattamento termico ad alta temperatura che carbonizza il bitume presente nel prodotto grezzo. Il coke bituminoso formatosi dopo la carbonizzazione del bitume di carbone solidifica insieme l'aggregato carbonioso e le particelle di polvere, e il prodotto carbonioso calcinato presenta elevata resistenza meccanica, bassa resistività elettrica, buona stabilità termica e chimica.
La calcinazione è uno dei processi principali nella produzione di prodotti a base di carbonio ed è anche una parte importante dei tre principali processi di trattamento termico per la produzione di elettrodi di grafite. Il ciclo di produzione tramite calcinazione è lungo (22-30 giorni per la cottura, 5-20 giorni per i forni per 2 cotture) e comporta un elevato consumo energetico. La qualità della calcinazione a verde ha un impatto sulla qualità del prodotto finito e sul costo di produzione.
Il carbone verde nel corpo verde si carbonizza durante il processo di tostatura e circa il 10% della materia volatile viene scaricata e il volume viene prodotto da una contrazione del 2-3% e la perdita di massa è dell'8-10%. Anche le proprietà fisiche e chimiche del lingotto di carbonio sono cambiate in modo significativo. La porosità è diminuita da 1,70 g/cm³ a 1,60 g/cm³ e la resistività è diminuita da 10000 μΩ·m a 40-50 μΩ·m a causa dell'aumento della porosità. Anche la resistenza meccanica del lingotto calcinato era elevata. Per migliorare.
La cottura secondaria è un processo in cui il prodotto calcinato viene immerso e poi calcinato per carbonizzare il catrame immerso nei pori del prodotto calcinato. Gli elettrodi che richiedono una maggiore densità apparente (tutte le varietà tranne RP) e i semilavorati per giunti devono essere sottoposti a doppia cottura, e i semilavorati per giunti sono anche sottoposti a tre immersioni e quattro cotture o a due immersioni e tre cotture.
Tipo di forno principale della tostatrice:
Funzionamento continuo: forno ad anello (con coperchio, senza coperchio), forno a tunnel
Funzionamento intermittente: forno inverso, tostatrice sotto il pavimento, tostatrice a scatola
Curva di calcinazione e temperatura massima:
Tostatura unica: 320, 360, 422, 480 ore, 1250 °C
Tostatura secondaria: 125, 240, 280 ore, 700-800 °C
Ispezione dei prodotti da forno: aspetto, battitura, resistività elettrica, densità apparente, resistenza alla compressione, analisi della struttura interna
L'impregnazione è un processo in cui un materiale carbonioso viene posto in un recipiente a pressione e il catrame impregnante liquido viene immerso nei pori dell'elettrodo prodotto in determinate condizioni di temperatura e pressione. Lo scopo è ridurre la porosità del prodotto, aumentarne la densità apparente e la resistenza meccanica, nonché migliorarne la conduttività elettrica e termica.
Il processo di impregnazione e i relativi parametri tecnici sono: tostatura del billetta – pulizia della superficie – preriscaldamento (260-380 °C, 6-10 ore) – caricamento della vasca di impregnazione – vuoto (8-9 kPa, 40-50 min) – iniezione di bitume (180-200 °C) – pressurizzazione (1,2-1,5 MPa, 3-4 ore) – ritorno all'asfalto – raffreddamento (all'interno o all'esterno della vasca)
Ispezione dei prodotti impregnati: tasso di aumento di peso dell'impregnazione G=(W2-W1)/W1×100%
Un calo del tasso di aumento di peso ≥14%
Tasso di aumento di peso del prodotto impregnato secondariamente ≥ 9%
Tre prodotti da intingere hanno mostrato un aumento di peso pari o superiore al 5%
La grafitizzazione si riferisce a un processo di trattamento termico ad alta temperatura in cui un prodotto a base di carbonio viene riscaldato a una temperatura di 2300 °C o superiore in un mezzo protettivo all'interno di un forno elettrico ad alta temperatura, al fine di convertire la struttura amorfa stratificata del carbonio in una struttura cristallina tridimensionale ordinata di grafite.
Scopo ed effetto della grafitizzazione:
1. Migliorare la conduttività e la conduttività termica del materiale carbonioso (la resistività si riduce di 4-5 volte e la conduttività termica aumenta di circa 10 volte);
2 migliorare la resistenza agli shock termici e la stabilità chimica del materiale carbonioso (coefficiente di espansione lineare ridotto del 50-80%);
3 per conferire al materiale in carbonio lubrificazione e resistenza all'abrasione;
4. Elimina le impurità, migliora la purezza del materiale carbonioso (il contenuto di ceneri del prodotto si riduce dallo 0,5-0,8% a circa lo 0,3%).
La realizzazione del processo di grafitizzazione:
La grafitizzazione del materiale carbonioso avviene ad un'alta temperatura di 2300-3000 °C, quindi nell'industria può essere realizzata solo tramite riscaldamento elettrico, ovvero la corrente passa direttamente attraverso il prodotto calcinato riscaldato, e il prodotto calcinato caricato nel forno viene generato dalla corrente elettrica ad alta temperatura. Il conduttore è a sua volta un oggetto che viene riscaldato ad alta temperatura.
Attualmente, tra i forni più diffusi si annoverano i forni di grafitizzazione Acheson e i forni a cascata termica interna (LWG). I primi presentano un'elevata potenza, un'ampia differenza di temperatura e un elevato consumo energetico. I secondi, invece, hanno tempi di riscaldamento brevi, un basso consumo energetico, una resistività elettrica uniforme e non sono adatti all'installazione.
Il controllo del processo di grafitizzazione viene effettuato misurando la curva di potenza elettrica più adatta alle condizioni di aumento della temperatura. Il tempo di alimentazione è di 50-80 ore per il forno Acheson e di 9-15 ore per il forno LWG.
Il consumo energetico del processo di grafitizzazione è molto elevato, generalmente compreso tra 3200 e 4800 kWh, e il costo del processo rappresenta circa il 20-35% del costo totale di produzione.
Ispezione dei prodotti grafitizzati: battitura superficiale, test di resistività
Lavorazione meccanica: Lo scopo della lavorazione meccanica dei materiali in grafite di carbonio è quello di ottenere le dimensioni, la forma, la precisione, ecc. richieste mediante il taglio, per realizzare il corpo e i giunti dell'elettrodo in conformità con i requisiti di utilizzo.
Il processo di lavorazione degli elettrodi di grafite è suddiviso in due fasi distinte: corpo dell'elettrodo e giunzione.
La lavorazione del corpo comprende tre fasi: alesatura e sgrossatura della superficie terminale piana, circonferenza esterna e superficie terminale piana e fresatura della filettatura. La lavorazione del giunto conico può essere suddivisa in 6 fasi: taglio, superficie terminale piana, superficie conica, fresatura della filettatura, foratura del bullone e scanalatura.
Collegamento dei giunti degli elettrodi: giunto conico (tre fibbie e una fibbia), giunto cilindrico, raccordo a pressione (giunto maschio e femmina)
Controllo della precisione di lavorazione: deviazione della conicità della filettatura, passo della filettatura, deviazione del diametro maggiore del giunto (foro), coassialità del foro del giunto, verticalità del foro del giunto, planarità della superficie terminale dell'elettrodo, deviazione a quattro punti del giunto. Verificare con calibri ad anello e calibri a piastra speciali.
Ispezione degli elettrodi finiti: precisione, peso, lunghezza, diametro, densità apparente, resistività, tolleranza di preassemblaggio, ecc.
Data di pubblicazione: 31 ottobre 2019