L'elettrodo di grafite è un materiale conduttivo in grafite resistente alle alte temperature, prodotto mediante impasto di petrolio, coke aghiforme come aggregato e bitume di carbone come legante, i quali vengono prodotti attraverso una serie di processi quali impasto, stampaggio, tostatura, impregnazione, grafitizzazione e lavorazione meccanica.
L'elettrodo di grafite è un importante materiale conduttivo ad alta temperatura per la produzione di acciaio elettrico. 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 per la produzione di acciaio. Anche altri forni per minerali che fondono materiali come fosforo giallo, silicio industriale e abrasivi utilizzano elettrodi di grafite come materiali conduttivi. Le eccellenti e speciali proprietà fisiche e chimiche degli elettrodi di grafite sono ampiamente utilizzate anche in altri settori industriali.
Le materie prime per la produzione di elettrodi di grafite sono coke di petrolio, coke aghiforme e pece di catrame di carbone.
Il coke di petrolio è un prodotto solido infiammabile ottenuto dalla coking di residui di carbone e pece di petrolio. Di colore nero e poroso, l'elemento principale è il carbonio e il contenuto di ceneri è molto basso, generalmente inferiore allo 0,5%. Il coke di petrolio appartiene alla classe del carbonio facilmente grafitizzabile. Il coke di petrolio ha una vasta gamma di utilizzi nell'industria chimica e metallurgica. È la principale materia prima per la produzione di prodotti di grafite artificiale e di prodotti 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 mediante coking ritardato, contiene un'elevata quantità di sostanze volatili e ha una bassa resistenza meccanica. Il coke calcinato si ottiene per calcinazione del coke grezzo. La maggior parte delle raffinerie cinesi produce solo coke e le operazioni di calcinazione vengono eseguite principalmente in impianti a 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 tra lo 0,5% e l'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 di grafite artificiale viene generalmente realizzata utilizzando coke a basso tenore di zolfo.
Il coke aghiforme è un tipo di coke di alta qualità con una struttura fibrosa evidente, un coefficiente di dilatazione termica molto basso e una facile grafitizzazione. Una volta frantumato, il coke può essere suddiviso in sottili strisce a seconda della struttura (il rapporto d'aspetto è generalmente superiore a 1,75). Una struttura fibrosa anisotropa può essere osservata al microscopio a luce polarizzata, ed è quindi definita coke aghiforme.
L'anisotropia delle proprietà fisico-meccaniche del coke aghiforme è molto evidente. Presenta una buona conduttività elettrica e termica parallela all'asse longitudinale della particella e un basso coefficiente di dilatazione termica. Nello stampaggio per estrusione, l'asse longitudinale della maggior parte delle particelle è disposto nella direzione di estrusione. Pertanto, il coke aghiforme è la materia prima chiave per la produzione di elettrodi di grafite ad alta o altissima potenza. L'elettrodo di grafite prodotto presenta una bassa resistività, un basso coefficiente di dilatazione termica e una buona resistenza agli shock termici.
Il coke aghiforme si divide in coke aghiforme derivato da petrolio, prodotto da residui di petrolio, e coke aghiforme derivato da 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, nera ad alta temperatura, semisolida o solida ad alta temperatura, senza punto di fusione fisso, rammollita dopo il riscaldamento e poi fusa, con una densità di 1,25-1,35 g/cm³. In base al suo punto di rammollimento, si divide in asfalto a bassa, media e alta temperatura. La resa dell'asfalto a media temperatura è del 54-56% del catrame di carbone. La composizione del catrame di carbone è estremamente complessa, ed è correlata alle sue proprietà e al contenuto di eteroatomi, ed è anche influenzata dal sistema di coking e dalle condizioni di lavorazione del catrame di carbone. Esistono molti indicatori per caratterizzare la pece di catrame di carbone, come il punto di rammollimento del bitume, gli insolubili in toluene (TI), gli insolubili in chinolina (QI), i valori di coking e la reologia della pece di carbone.
Il catrame di carbone viene utilizzato come legante e impregnante nell'industria del carbonio e le sue prestazioni hanno un impatto significativo sul processo di produzione e sulla qualità dei prodotti a base di carbonio. L'asfalto legante utilizza generalmente un asfalto a media temperatura o modificato a media temperatura con un punto di rammollimento moderato, un alto valore di coking e un'elevata percentuale di resina β. L'agente impregnante è un asfalto a media temperatura con un basso punto di rammollimento, un basso indice di qualità (QI) e buone proprietà reologiche.
L'immagine seguente mostra il processo di produzione dell'elettrodo di grafite in un'azienda produttrice di carbone.
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 ne migliora le prestazioni di cottura originali è chiamato calcinazione. Generalmente, la materia prima carboniosa viene calcinata utilizzando gas e le sue stesse sostanze volatili come fonte di calore, raggiungendo una temperatura massima di 1250-1350 °C.
La calcinazione apporta profondi cambiamenti nella struttura e nelle proprietà fisico-chimiche delle materie prime carboniose, migliorando principalmente la densità, la resistenza meccanica e la conduttività elettrica del coke, migliorando la stabilità chimica e la resistenza all'ossidazione del coke, gettando le basi per il processo successivo.
Le apparecchiature calcinate includono principalmente un calcinatore a vasca, un forno rotante e un calcinatore elettrico. L'indice di controllo qualità della calcinazione è che la densità effettiva del coke di petrolio non sia inferiore a 2,07 g/cm³, la resistività non sia superiore a 550 μΩ.m, la densità effettiva 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 del dosaggio, il coke di petrolio calcinato e il coke aghiforme devono essere frantumati, macinati e setacciati.
La frantumazione media viene solitamente effettuata mediante attrezzature di frantumazione di circa 50 mm attraverso un frantoio a mascelle, un frantoio a martelli, un frantoio a rulli e simili per frantumare ulteriormente il materiale di dimensioni comprese tra 0,5 e 20 mm necessario per il dosaggio.
La macinazione è un processo di macinazione di un materiale carbonioso fino a ottenere una piccola particella polverosa di 0,15 mm o meno e di dimensioni pari o inferiori a 0,075 mm mediante un mulino ad anelli a sospensione (mulino Raymond), un mulino a sfere o simili.
La vagliatura è un processo in cui un'ampia gamma di materiali, dopo la frantumazione, viene suddivisa in diverse granulometrie, con un intervallo ristretto di dimensioni, attraverso una serie di setacci con aperture uniformi. L'attuale produzione di elettrodi richiede solitamente 4-5 pellet e 1-2 granuli di polvere.
Gli ingredienti sono i processi di produzione che calcolano, pesano e concentrano i vari aggregati di aggregati, polveri e leganti in base ai requisiti di formulazione. L'idoneità scientifica della formulazione e la stabilità del dosaggio sono tra i fattori più importanti che influenzano l'indice di qualità e le prestazioni del prodotto.
La formula deve determinare 5 aspetti:
1Seleziona il tipo di materie prime;
2 determinare la proporzione dei diversi tipi di materie prime;
3 determinazione della composizione granulometrica della materia prima solida;
4 determinare la quantità di legante;
5 Determinare il tipo e la quantità di additivi.
Impastare: miscelare e quantificare granuli e polveri di carbonio di varie dimensioni con una certa quantità di legante a una certa temperatura e impastare la pasta plastica in un processo chiamato impastamento.
Processo di impasto: a secco (20-35 min) a umido (40-55 min)
Il ruolo dell'impastamento:
1 Durante la miscelazione a secco, le varie materie prime vengono miscelate uniformemente e i materiali carboniosi solidi di diverse granulometrie vengono miscelati e riempiti uniformemente per migliorare la compattezza della miscela;
2 Dopo l'aggiunta di pece di catrame di carbone, il materiale secco e l'asfalto vengono miscelati uniformemente. L'asfalto liquido ricopre e bagna uniformemente la superficie dei granuli, formando uno strato legante e tutti i materiali si legano tra loro formando una massa plastica omogenea. Favorisce lo stampaggio;
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 certa forma, dimensione, densità e resistenza. processo.
Tipi di stampaggio, attrezzature e prodotti realizzati:
Metodo di stampaggio
Attrezzatura comune
prodotti principali
Modanatura
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 d'altoforno
Pressatura isostatica
Macchina per stampaggio isostatico
Grafite isotropica, grafite anisotropica
operazione di compressione
1 materiale freddo: materiale di raffreddamento del disco, materiale di raffreddamento del cilindro, materiali di raffreddamento per miscelazione e impasto, ecc.
Scaricare le sostanze volatili, ridurre ad una temperatura adeguata (90-120°C) per aumentare l'adesione, in modo che la blocchità della pasta sia uniforme per 20-30 min
2 Caricamento: premere il deflettore di sollevamento —– taglio 2-3 volte—-compattazione 4-10 MPa
3 pre-pressione: pressione 20-25 MPa, tempo 3-5 min, durante l'aspirazione
4 estrusione: premere verso il basso il deflettore —estrusione 5-15 MPa — taglio — nel dissipatore di raffreddamento
Parametri tecnici di estrusione: rapporto di compressione, temperatura della camera di pressatura e dell'ugello, temperatura di raffreddamento, tempo di pressione 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 corpo verde del prodotto di carbonio viene riempito in un forno di riscaldamento appositamente progettato, sotto la protezione del riempitivo, per eseguire un trattamento termico ad alta temperatura che carbonizza la pece di carbone nel corpo verde. Il coke di bitume formatosi dopo la carbonizzazione del bitume di carbone solidifica l'aggregato carbonioso e le particelle di polvere, e il prodotto di carbonio calcinato presenta elevata resistenza meccanica, bassa resistività elettrica, buona stabilità termica e stabilità chimica.
La calcinazione è uno dei processi principali nella produzione di prodotti in carbonio e rappresenta anche una parte importante dei tre principali processi di trattamento termico per la produzione di elettrodi in grafite. Il ciclo produttivo della calcinazione è lungo (22-30 giorni per la cottura, 5-20 giorni per i forni a due cotture) e comporta un consumo energetico più elevato. La qualità della tostatura verde ha un impatto sulla qualità del prodotto finito e sui costi di produzione.
La pece di carbone verde nel corpo verde viene cokificata durante il processo di tostatura e circa il 10% delle sostanze volatili viene scaricato, mentre il volume viene prodotto tramite un restringimento del 2-3% e la perdita di massa è dell'8-10%. Anche le proprietà fisiche e chimiche della billetta di carbone sono cambiate significativamente. La porosità è diminuita da 1,70 g/cm³ a 1,60 g/cm³ e la resistività è diminuita da 10.000 μΩ·m a 40-50 μΩ·m a causa dell'aumento della porosità. Anche la resistenza meccanica della billetta calcinata è risultata elevata. Da migliorare.
La cottura secondaria è un processo in cui il prodotto calcinato viene immerso e poi calcinato per carbonizzare la pece immersa nei pori del prodotto calcinato. Gli elettrodi che richiedono una densità apparente più elevata (tutte le varietà tranne RP) e i giunti grezzi devono essere sottoposti a cottura secondaria, e i giunti grezzi sono anche sottoposti a cottura a tre immersioni e quattro cotture o a due immersioni e tre cotture.
Tipologia del forno principale del tostatore:
Funzionamento continuo: forno ad anello (con coperchio, senza coperchio), forno a tunnel
Funzionamento intermittente: forno inverso, tostatrice a pavimento, tostatrice a scatola
Curva di calcinazione e temperatura massima:
Tostatura una tantum: 320, 360, 422, 480 ore, 1250 °C
Tostatura secondaria: 125, 240, 280 ore, 700-800 °C
Ispezione dei prodotti da forno: aspetto, 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 la pece liquida impregnante viene immersa nei pori dell'elettrodo del prodotto in determinate condizioni di temperatura e pressione. Lo scopo è ridurre la porosità del prodotto, aumentarne la densità apparente e la resistenza meccanica e migliorarne la conduttività elettrica e termica.
Il processo di impregnazione e i relativi parametri tecnici sono: tostatura del blocco – pulizia della superficie – preriscaldamento (260-380 °C, 6-10 ore) – caricamento del serbatoio di impregnazione – aspirazione (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 del serbatoio)
Ispezione dei prodotti impregnati: tasso di aumento di peso dell'impregnazione G=(W2-W1)/W1×100%
Tasso di aumento di peso con un calo ≥14%
Tasso di aumento di peso del prodotto impregnato secondario ≥ 9%
Tasso di aumento di peso di tre prodotti da immersione ≥ 5%
La grafitizzazione è un processo di trattamento termico ad alta temperatura in cui un prodotto di carbonio viene riscaldato a una temperatura di 2300 °C o più in un mezzo protettivo in un forno elettrico ad alta temperatura per convertire una struttura stratificata amorfa di carbonio in una struttura cristallina di grafite ordinata tridimensionale.
Scopo ed effetto della grafitizzazione:
1 migliorare la conduttività e la conduttività termica del materiale in carbonio (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 in carbonio (coefficiente di dilatazione lineare ridotto del 50-80%);
3 per conferire al materiale in carbonio caratteristiche di lubrificazione e resistenza all'abrasione;
4 Impurità di scarico, migliorano la purezza del materiale di carbonio (il contenuto di ceneri del prodotto viene ridotto dallo 0,5-0,8% a circa lo 0,3%).
La realizzazione del processo di grafitizzazione:
La grafitizzazione del materiale carbonioso viene effettuata ad alte temperature, tra 2300 e 3000 °C, quindi può essere realizzata solo mediante riscaldamento elettrico a livello industriale: 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 ancora una volta un oggetto riscaldato ad alta temperatura.
Tra i forni attualmente più utilizzati figurano i forni di grafitizzazione Acheson e i forni a cascata di calore interno (LWG). I primi offrono un'elevata potenza, un'elevata differenza di temperatura e un elevato consumo energetico. I secondi hanno tempi di riscaldamento brevi, un basso consumo energetico, una resistività elettrica uniforme e non sono adatti per l'installazione.
Il controllo del processo di grafitizzazione viene effettuato misurando la curva di potenza elettrica 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 della grafitizzazione è molto elevato, generalmente 3200-4800 kWh, e il costo del processo rappresenta circa il 20-35% del costo di produzione totale.
Ispezione dei prodotti grafitizzati: tapping dell'aspetto, test di resistività
Lavorazione: lo scopo della lavorazione meccanica dei materiali in grafite di carbonio è quello di ottenere le dimensioni, la forma, la precisione, ecc. richieste, tagliando per realizzare il corpo dell'elettrodo e i giunti in base ai requisiti di utilizzo.
La lavorazione degli elettrodi di grafite si divide in due processi di lavorazione indipendenti: corpo dell'elettrodo e giunto.
La lavorazione del corpo comprende tre fasi: alesatura e sgrossatura della superficie piana, circonferenza esterna e superficie piana e fresatura della filettatura. La lavorazione del giunto conico può essere suddivisa in 6 fasi: taglio, superficie piana, superficie conica, fresatura della filettatura, foratura e scanalatura.
Collegamento dei giunti degli elettrodi: collegamento conico (tre fibbie e una fibbia), collegamento cilindrico, collegamento a urto (collegamento maschio e femmina)
Controllo della precisione di lavorazione: deviazione della conicità della filettatura, passo della filettatura, deviazione del diametro 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 appositi calibri ad anello e calibri a piastra.
Ispezione degli elettrodi finiti: precisione, peso, lunghezza, diametro, densità apparente, resistività, tolleranza pre-assemblaggio, ecc.
Data di pubblicazione: 31 ottobre 2019