תהליך ייצור אלקטרודות גרפיט

אלקטרודת גרפיט היא חומר מוליך גרפיט עמיד בטמפרטורה גבוהה המיוצר על ידי לישת נפט, קוק מחט כאגרגט וביטומן פחם כקלסר, המיוצרים באמצעות סדרה של תהליכים כגון לישה, יציקה, קלייה, הספגה, גרפיטיזציה ועיבוד מכני.

אלקטרודת הגרפיט היא חומר מוליך חשוב בטמפרטורה גבוהה לייצור פלדה חשמלית. אלקטרודת הגרפיט משמשת להזנת אנרגיה חשמלית לתנור החשמלי, והטמפרטורה הגבוהה הנוצרת על ידי הקשת בין קצה האלקטרודה למטען משמשת כמקור חום להיתוך המטען לייצור פלדה. תנורי עפרות אחרים המתיכים חומרים כמו זרחן צהוב, סיליקון תעשייתי וחומרי שוחקים משתמשים גם באלקטרודות גרפיט כחומרים מוליכים. התכונות הפיזיקליות והכימיות המצוינות והמיוחדות של אלקטרודות הגרפיט נמצאות בשימוש נרחב גם במגזרים תעשייתיים אחרים.
חומרי הגלם לייצור אלקטרודות גרפיט הם קוק נפט, קוק מחט וזפת פחם.

קוק נפט הוא מוצר מוצק דליק המתקבל מקוק שאריות פחם וזפת נפט. הצבע שחור ונקבובי, היסוד העיקרי הוא פחמן, ותכולת האפר נמוכה מאוד, בדרך כלל מתחת ל-0.5%. קוק נפט שייך לסוג הפחמן שקל לגרפיטיזציה. לקוק נפט מגוון רחב של שימושים בתעשיות הכימיות והמטלורגיות. זהו חומר הגלם העיקרי לייצור מוצרי גרפיט מלאכותיים ומוצרי פחמן לאלומיניום אלקטרוליטי.

ניתן לחלק את קוק הנפט לשני סוגים: קוק גולמי וקוק קלוי לפי טמפרטורת הטיפול בחום. קוק הנפט לשעבר המתקבל על ידי קוק מושהה מכיל כמות גדולה של חומרים נדיפים, והחוזק המכני שלו נמוך. קוק קלוי מתקבל על ידי קלצינציה של קוק גולמי. רוב בתי הזיקוק בסין מייצרים רק קוק, ופעולות הקלצינציה מתבצעות בעיקר במפעלי פחמן.

קוק נפט ניתן לחלק לקוק עתיר גופרית (המכיל יותר מ-1.5% גופרית), קוק עתיר גופרית בינונית (המכיל 0.5%-1.5% גופרית) וקוק עתיר גופרית (המכיל פחות מ-0.5% גופרית). ייצור אלקטרודות גרפיט ומוצרי גרפיט מלאכותיים אחרים מתבצע בדרך כלל באמצעות קוק עתיר גופרית.

קוק מחט הוא סוג של קוק איכותי בעל מרקם סיבי ברור, מקדם התפשטות תרמי נמוך מאוד וגראפיטיזציה קלה. כאשר הקוק נשבר, ניתן לפצל אותו לרצועות דקות בהתאם למרקם (יחס הממדים הוא בדרך כלל מעל 1.75). ניתן לצפות במבנה סיבי אניזוטרופי תחת מיקרוסקופ מקוטב, ולכן מכונה קוק מחט.

האניזוטרופיה של התכונות הפיזיקו-מכניות של קוק מחט ברורה מאוד. יש לו מוליכות חשמלית ותרמית טובה במקביל לכיוון הציר הארוך של החלקיק, ומקדם ההתפשטות התרמית שלו נמוך. בעת יציקה באמצעות שיחול, הציר הארוך של רוב החלקיקים מסודר בכיוון השחול. לכן, קוק מחט הוא חומר הגלם העיקרי לייצור אלקטרודות גרפיט בעלות הספק גבוה או גבוה במיוחד. לאלקטרודת הגרפיט המיוצרת יש התנגדות נמוכה, מקדם התפשטות תרמית קטן ועמידות טובה בפני הלם תרמי.

קוק מחט מחולק לקוק מחט על בסיס נפט המופק משאריות נפט וקוק מחט על בסיס פחם המופק מחומרי גלם של זפת פחם מזוקקת.

זפת פחם היא אחד התוצרים העיקריים של עיבוד עמוק של זפת פחם. זוהי תערובת של פחמימנים שונים, שחורים בטמפרטורה גבוהה, מוצקים למחצה או מוצקים בטמפרטורה גבוהה, ללא נקודת התכה קבועה, מתרככים לאחר חימום, ולאחר מכן מותכים, עם צפיפות של 1.25-1.35 גרם/סמ"ק. לפי נקודת הריכוך שלה, היא מחולקת לאספלט בטמפרטורה נמוכה, בטמפרטורה בינונית ובטמפרטורה גבוהה. תפוקת האספלט בטמפרטורה בינונית היא 54-56% מזפת פחם. הרכב זפת הפחם מורכב ביותר, הקשור לתכונות זפת הפחם ולתכולת ההטרואטומים, ומושפע גם ממערכת תהליך הקוקינג ומתנאי עיבוד זפת הפחם. ישנם אינדיקטורים רבים לאפיון זפת פחם, כגון נקודת ריכוך ביטומן, חומרים בלתי מסיסים בטולואן (TI), חומרים בלתי מסיסים בכינולין (QI), ערכי קוקינג וריאולוגיה של זפת פחם.

זפת פחם משמשת כחומר מקשר וחומר הספגה בתעשיית הפחמן, וביצועיה משפיעים רבות על תהליך הייצור ואיכות המוצר של מוצרי פחמן. אספלט מקשר משתמש בדרך כלל באספלט שעבר שינוי בטמפרטורה בינונית או בטמפרטורה בינונית, בעל נקודת ריכוך בינונית, ערך קוק גבוה ושרף β גבוה. חומר ההספגה הוא אספלט בטמפרטורה בינונית בעל נקודת ריכוך נמוכה, QI נמוך ותכונות ריאולוגיות טובות.

התמונה הבאה מציגה את תהליך הייצור של אלקטרודת גרפיט במפעל פחמן.
קלצינציה: חומר הגלם הפחמני עובר טיפול בחום בטמפרטורה גבוהה כדי לשחרר את הלחות והחומר הנדיף הכלולים בו, ותהליך הייצור התואם לשיפור ביצועי הבישול המקוריים נקרא קלצינציה. באופן כללי, חומר הגלם הפחמני עובר קלצינציה באמצעות גז וחומרים נדיפים משלו כמקור חום, והטמפרטורה המקסימלית היא 1250-1350 מעלות צלזיוס.

קלצינציה גורמת לשינויים עמוקים במבנה ובתכונות הפיזיקוכימיות של חומרי גלם פחמניים, בעיקר בשיפור הצפיפות, החוזק המכני והמוליכות החשמלית של קוקה קולה, שיפור היציבות הכימית ועמידות החמצון של קוקה קולה, הנחת היסודות לתהליך שלאחר מכן.

ציוד הקלצינציה כולל בעיקר קלצינר מיכל, כבשן סיבובי וקלצינר חשמלי. מדד בקרת האיכות של הקלצינציה הוא שהצפיפות האמיתית של קוק נפט אינה פחות מ-2.07 גרם/סמ"ק, ההתנגדות אינה עולה על 550 מיקרוΩ.מ', הצפיפות האמיתית של קוק מחט אינה פחות מ-2.12 גרם/סמ"ק, וההתנגדות אינה עולה על 500 מיקרוΩ.מ'.
ריסוק חומרי גלם ומרכיבים

לפני המינון, יש לכתוש, לטחון ולסנן את קוק הנפט הקלוי וקוק המחט בתפזורת.

הריסוק הבינוני מתבצע בדרך כלל על ידי ציוד ריסוק של כ-50 מ"מ באמצעות ריסוק לסת, ריסוק פטיש, ריסוק גלילים וכדומה כדי לכתוש עוד יותר את החומר בגודל 0.5-20 מ"מ הנדרש לעיבוד.

טחינה היא תהליך של טחינת חומר פחמני לחלקיק אבקתי קטן בגודל 0.15 מ"מ או פחות ובגודל חלקיקים של 0.075 מ"מ או פחות באמצעות טחנת גליל טבעתית מסוג תלייה (טחנת ריימונד), טחנת כדורים או דברים דומים.

סינון הוא תהליך שבו מגוון רחב של חומרים, לאחר ריסוק, מחולקים למספר טווחי גודל חלקיקים בעלי טווח צר של גדלים באמצעות סדרה של מסננות בעלות פתחים אחידים. ייצור אלקטרודות כיום דורש בדרך כלל 4-5 כדוריות ו-1-2 סוגי אבקה.

רכיבים הם תהליכי הייצור לחישוב, שקילה ומיקוד של אגרגטים, אבקות וחומרי קלסר שונים בהתאם לדרישות הפורמולציה. ההתאמה המדעית של הפורמולציה ויציבות פעולת המינון הן בין הגורמים החשובים ביותר המשפיעים על מדד האיכות והביצועים של המוצר.

הנוסחה צריכה לקבוע 5 היבטים:
1. בחר את סוג חומרי הגלם;
2 לקבוע את היחס בין סוגים שונים של חומרי גלם;
3 קביעת הרכב גודל החלקיקים של חומר הגלם המוצק;
4 לקבוע את כמות הקלסר;
5 קבע את סוג וכמות התוספים.

לישה: ערבוב וכימות של גרגירים ואבקות פחמניים בגדלים שונים של חלקיקים עם כמות מסוימת של חומר מקשר בטמפרטורה מסוימת, ולישת משחת הפלסטיות בתהליך הנקרא לישה.

תהליך לישה: ערבוב יבש (20-35 דקות) ערבוב רטוב (40-55 דקות)

תפקיד הלישה:
1 בעת ערבוב יבש, חומרי הגלם השונים מעורבבים באופן אחיד, וחומרי הפחמן המוצקים בגדלי חלקיקים שונים מעורבבים וממולאים באופן אחיד כדי לשפר את הקומפקטיות של התערובת;
2 לאחר הוספת זפת פחם, החומר היבש והאספלט מעורבבים באופן אחיד. האספלט הנוזלי מצפה ומרטיב באופן אחיד את פני השטח של הגרגירים ליצירת שכבת קשירת אספלט, וכל החומרים מחוברים זה לזה ליצירת מריחה פלסטית הומוגנית. תורם לעיצוב;
3 חלקים של זפת פחם חודרים לחלל הפנימי של החומר הפחמני, ומגדילים עוד יותר את הצפיפות והלכידות של המשחה.

יציקה: יציקה של חומר פחמן מתייחסת לתהליך של עיוות פלסטי של משחת פחמן שנלשה תחת כוח חיצוני המופעל על ידי ציוד היציקה כדי ליצור בסופו של דבר גוף ירוק (או מוצר גולמי) בעל צורה, גודל, צפיפות וחוזק מסוימים.

סוגי יציקה, ציוד ומוצרים המיוצרים:
שיטת יציקה
ציוד נפוץ
מוצרים עיקריים
דְפוּס
מכבש הידראולי אנכי
פחמן חשמלי, גרפיט בעל מבנה עדין ברמה נמוכה
לִסְחוֹט
מכבש הידראולי אופקי
מכבש בורג
אלקטרודת גרפיט, אלקטרודה מרובעת
יציקת רטט
מכונת יציקת רטט
לבני פחמן אלומיניום, לבני פחמן של תנור פיצוץ
כבישה איזוסטטית
מכונת יציקה איזוסטטית
גרפיט איזוטרופי, גרפיט אניזוטרופי

פעולת סחיטה
1 חומר קירור: חומר קירור דיסק, חומר קירור גליל, חומרי קירור לערבוב ולישה וכו'.
יש לשחרר את החומרים הנדיפים, להנמיך לטמפרטורה מתאימה (90-120 מעלות צלזיוס) כדי להגביר את ההידבקות, כך שהדבקה תהיה אחידה למשך 20-30 דקות.
2 טעינה: לחץ על הרמת מחסום - חיתוך 2-3 פעמים - דחיסה של 4-10MPa
3 לחץ מקדים: לחץ 20-25MPa, זמן 3-5 דקות, תוך כדי שאיבת אבק
4 שחול: לחץ את המחיצה כלפי מטה - שחול 5-15MPa - חיתוך - לתוך כיור הקירור

פרמטרים טכניים של שחול: יחס דחיסה, טמפרטורת תא הלחץ והזרבובית, טמפרטורת קירור, זמן לחץ טעינה מוקדמת, לחץ שחול, מהירות שחול, טמפרטורת מי קירור

בדיקת גוף ירוק: צפיפות בתפזורת, הקשה על מראה, ניתוח

קלצינציה: זהו תהליך שבו גוף הירוק של תוצר הפחמן ממולא בכבשן חימום שתוכנן במיוחד תחת הגנה של חומר מילוי כדי לבצע טיפול בחום בטמפרטורה גבוהה כדי לפחם את זפת הפחם בגוף הירוק. הביטומן קוק שנוצר לאחר פחום ביטומן הפחם ממצק את המצרף הפחמני ואת חלקיקי האבקה יחד, ולתוצר הפחמן הקלצינציה חוזק מכני גבוה, התנגדות חשמלית נמוכה, יציבות תרמית טובה ויציבות כימית.

קלצינציה היא אחד התהליכים העיקריים בייצור מוצרי פחמן, והיא גם חלק חשוב משלושת תהליכי טיפול החום העיקריים של ייצור אלקטרודות גרפיט. מחזור ייצור הקלצינציה ארוך (22-30 ימים לאפייה, 5-20 ימים לתנורים לאפייה של 2), וצריכת אנרגיה גבוהה יותר. איכות הקלייה הירוקה משפיעה על איכות המוצר המוגמר ועל עלות הייצור.

זפת הפחם הירוקה בגוף הירוק עוברת תהליך הקלייה, וכ-10% מהחומר הנדיף משתחרר, והנפח נוצר כתוצאה מהצטמקות של 2-3%, ואובדן המסה הוא 8-10%. גם התכונות הפיזיקליות והכימיות של בילט הפחמן השתנו באופן משמעותי. הנקבוביות ירדה מ-1.70 גרם/סמ"ק ל-1.60 גרם/סמ"ק וההתנגדות ירדה מ-10000 מיקרוΩ·מ' ל-40-50 מיקרוΩ·מ' עקב העלייה בנקבוביות. גם החוזק המכני של הבילט הקלוי היה גדול. לשיפור.

אפייה משנית היא תהליך שבו המוצר המקולץ טובל ולאחר מכן מחומם כדי לפחמן את הזפת הטבולה בנקבוביות של המוצר המקולץ. אלקטרודות הדורשות צפיפות צובר גבוהה יותר (כל הסוגים למעט RP) וחומרי חיבור נדרשים לעבור אפייה דו-פעמית, וחומרי החיבור עוברים גם אפייה משולשת וארבעה או אפייה משולשת.

סוג תנור עיקרי של צלייה:
פעולה רציפה - תנור טבעת (עם כיסוי, ללא כיסוי), כבשן מנהרה
פעולה לסירוגין - כבשן הפוך, צלייה תת-רצפתית, צלייה בקופסה

עקומת הקלצינציה וטמפרטורה מקסימלית:
צלייה חד פעמית - 320, 360, 422, 480 שעות, 1250 מעלות צלזיוס
קלייה משנית - 125, 240, 280 שעות, 700-800 מעלות צלזיוס

בדיקת מוצרים אפויים: מראה, התנגדות חשמלית, צפיפות בצובר, חוזק דחיסה, ניתוח מבנה פנימי

הספגה היא תהליך שבו חומר פחמן מונח בכלי לחץ והזפת הנוזלית של חומר ההספגה טובלת בנקבוביות האלקטרודה של המוצר תחת תנאי טמפרטורה ולחץ מסוימים. המטרה היא להפחית את נקבוביות המוצר, להגדיל את צפיפות הנפח ואת החוזק המכני של המוצר, ולשפר את המוליכות החשמלית והתרמית של המוצר.

תהליך ההספגה והפרמטרים הטכניים הנלווים הם: קליית בילט – ניקוי פני השטח – חימום מוקדם (260-380 מעלות צלזיוס, 6-10 שעות) – טעינת מיכל ההספגה – שאיבת אבק (8-9 קילו פסקל, 40-50 דקות) – הזרקת ביטומן (180-200 מעלות צלזיוס) – הפעלת לחץ (1.2-1.5 מגה פסקל, 3-4 שעות) – חזרה לאספלט – קירור (בתוך המיכל או מחוצה לו)

בדיקת מוצרים ספוגים: קצב עלייה במשקל הספגה G=(W2-W1)/W1×100%
שיעור עלייה במשקל בטבילה אחת ≥14%
שיעור עלייה במשקל של מוצר ספוג משני ≥ 9%
שלושה מוצרי טבילה בעלי שיעור עלייה במשקל ≥ 5%

גרפיטיזציה מתייחסת לתהליך טיפול בחום בטמפרטורה גבוהה שבו מוצר פחמן מחומם לטמפרטורה של 2300 מעלות צלזיוס או יותר בתווך מגן בתנור חשמלי בטמפרטורה גבוהה כדי להמיר פחמן בעל מבנה שכבתי אמורפי למבנה גבישי גרפיט תלת-ממדי מסודר.

המטרה וההשפעה של גרפיטיזציה:
1 לשפר את המוליכות והמוליכות התרמית של חומר הפחמן (ההתנגדות מצטמצמת פי 4-5, והמוליכות התרמית גדלה פי 10 בערך);
2 לשפר את עמידות הלם תרמי ואת היציבות הכימית של חומר הפחמן (מקדם התפשטות ליניארי מופחת ב-50-80%);
3 כדי להפוך את חומר הפחמן לחומר סיכה ועמידות בפני שחיקה;
4. פליטת זיהומים, שיפור טוהר חומר הפחמן (תכולת האפר של המוצר מצטמצמת מ-0.5-0.8% לכ-0.3%).

מימוש תהליך הגרפיטיזציה:

גרפיטיזציה של חומר פחמן מתבצעת בטמפרטורה גבוהה של 2300-3000 מעלות צלזיוס, ולכן ניתן לממש אותה רק באמצעות חימום חשמלי בתעשייה, כלומר, הזרם עובר ישירות דרך המוצר המחומם, והמוצר המחומם המוכנס לתנור נוצר על ידי הזרם החשמלי בטמפרטורה גבוהה. המוליך הוא שוב עצם המחומם לטמפרטורה גבוהה.

תנורים הנמצאים כיום בשימוש נרחב כוללים תנורי גרפיטיזציה מסוג Acheson ותנורי מפל חום פנימי (LWG). לראשון תפוקה גדולה, הפרש טמפרטורות גדול וצריכת חשמל גבוהה. לשני זמן חימום קצר, צריכת חשמל נמוכה, התנגדות חשמלית אחידה, והוא אינו מתאים להתקנה.

בקרת תהליך הגרפיטיזציה מתבצעת על ידי מדידת עקומת ההספק החשמלי המתאימה לתנאי עליית הטמפרטורה. זמן אספקת החשמל הוא 50-80 שעות עבור תנור Acheson ו-9-15 שעות עבור תנור LWG.

צריכת החשמל של גרפיטיזציה גדולה מאוד, בדרך כלל 3200-4800 קוט"ש, ועלות התהליך מהווה כ-20-35% מעלות הייצור הכוללת.

בדיקת מוצרים שעברו גרפיט: בדיקת מראה, בדיקת התנגדות

עיבוד שבבי: מטרת העיבוד המכני של חומרי גרפיט פחמניים היא להשיג את הגודל, הצורה, הדיוק וכו' הנדרשים על ידי חיתוך כדי ליצור את גוף האלקטרודה והמפרקים בהתאם לדרישות השימוש.

עיבוד אלקטרודת גרפיט מחולק לשני תהליכי עיבוד עצמאיים: גוף האלקטרודה ומפרק האלקטרודה.

עיבוד הגוף כולל שלושה שלבים של קידוח וגימור קצה שטוח, חיתוך מעגל חיצוני וקצה שטוח וחריטת הברגה. עיבוד המחבר החרוטי ניתן לחלק ל-6 תהליכים: חיתוך, חיתוך קצה שטוח, חיתוך חרוט רכב, חיתוך הברגה, קידוח בורג וחריצה.

חיבור חיבורי אלקטרודה: חיבור חיבור חרוטי (שלושה אבזמים ואבזם אחד), חיבור חיבור גלילי, חיבור בליטה (חיבור זכר ונקבה)

בקרת דיוק עיבוד שבבי: סטיית התחדדות הברגה, פסיעה של הברגה, סטיית קוטר גדול של חור המחבר, קואקסיאליות חור המחבר, אנכיות חור המחבר, שטוחות פני קצה האלקטרודה, סטיית ארבע נקודות של המחבר. בדיקה באמצעות מדי טבעות מיוחדים ומדי פלטות.

בדיקת אלקטרודות מוגמרות: דיוק, משקל, אורך, קוטר, צפיפות נפח, התנגדות, סבילות טרום הרכבה וכו'.