グラファイト電極は、石油を原料とし、ニードルコークスを骨材、石炭瀝青を結合剤として、混練、成形、焙焼、含浸、黒鉛化、機械加工などの一連の工程を経て製造される、耐熱性に優れたグラファイト系導電材料です。
グラファイト電極は、電気製鋼において重要な高温導電材料です。グラファイト電極は電気炉に電気エネルギーを供給するために使用され、電極端と装入物との間のアーク放電によって発生する高温を熱源として装入物を溶融し、製鋼を行います。黄リン、工業用シリコン、研磨材などの材料を製錬する他の鉱石炉でも、導電材料としてグラファイト電極が使用されています。グラファイト電極の優れた特殊な物理化学的特性は、他の産業分野でも幅広く活用されています。
黒鉛電極の製造に使用される原料は、石油コークス、ニードルコークス、およびコールタールピッチである。
石油コークスは、石炭残渣と石油ピッチをコークス化して得られる可燃性の固体製品です。色は黒色で多孔質であり、主成分は炭素で、灰分含有量は非常に低く、一般的に0.5%以下です。石油コークスは、容易に黒鉛化する炭素に分類されます。石油コークスは、化学工業や冶金工業において幅広い用途があり、人工黒鉛製品や電解アルミニウム用の炭素製品の製造における主要原料となっています。
石油コークスは、熱処理温度によって生コークスと焼成コークスの2種類に分けられる。前者の遅延コークス化によって得られる石油コークスは揮発性物質を多く含み、機械的強度が低い。焼成コークスは生コークスを焼成して得られる。中国の製油所のほとんどはコークスのみを生産しており、焼成工程は主に炭素工場で行われている。
石油コークスは、高硫黄コークス（硫黄含有量1.5%以上）、中硫黄コークス（硫黄含有量0.5%～1.5%）、低硫黄コークス（硫黄含有量0.5%未満）に分類される。黒鉛電極やその他の人工黒鉛製品の製造には、一般的に低硫黄コークスが用いられる。
ニードルコークスは、繊維状構造が明瞭で、熱膨張係数が非常に低く、黒鉛化しやすい高品質のコークスの一種です。コークスを破砕すると、その構造に応じて細長い帯状に切断できます（アスペクト比は一般的に1.75以上）。偏光顕微鏡下では異方性の繊維状構造が観察されるため、ニードルコークスと呼ばれています。
ニードルコークスの物理機械的特性の異方性は非常に顕著である。粒子長軸方向に平行な電気伝導性と熱伝導性に優れ、熱膨張係数も低い。押出成形時には、ほとんどの粒子の長軸が押出方向に整列する。そのため、ニードルコークスは高出力または超高出力グラファイト電極の製造における重要な原料となる。製造されたグラファイト電極は、低抵抗率、小さな熱膨張係数、優れた耐熱衝撃性を有する。
ニードルコークスは、石油残渣を原料とする油性ニードルコークスと、精製された石炭ピッチを原料とする石炭性ニードルコークスに分けられる。
コールタールは、コールタール深加工の主要製品の一つです。様々な炭化水素の混合物で、高温では黒色、高温では半固体または固体で、一定の融点はなく、加熱後に軟化して溶融し、密度は1.25～1.35 g/cm3です。軟化点によって、低温、中温、高温アスファルトに分類されます。中温アスファルトの収率は、コールタールの54～56%です。コールタールの組成は非常に複雑で、コールタールの特性やヘテロ原子の含有量に関係し、コークス化プロセスシステムやコールタール加工条件にも影響されます。コールタールピッチを特徴付ける指標は数多くあり、例えば、ビチューメン軟化点、トルエン不溶物（TI）、キノリン不溶物（QI）、コークス化値、コールタールピッチのレオロジーなどがあります。
コールタールは炭素産業において結合剤および含浸剤として使用され、その性能は炭素製品の製造工程および製品品質に大きな影響を与える。結合剤アスファルトとしては、一般的に、中温性または中温性改質アスファルトが用いられ、適度な軟化点、高いコークス化価、および高いβ樹脂含有量を有する。含浸剤としては、低軟化点、低いQI値、および良好なレオロジー特性を有する中温性アスファルトが用いられる。
以下の図は、炭素企業における黒鉛電極の製造工程を示しています。
焼成：炭素質原料を高温で熱処理して、含まれる水分や揮発性物質を除去する工程であり、元の調理性能を向上させる製造プロセスを焼成と呼ぶ。一般的に、炭素質原料はガスと原料自身の揮発性物質を熱源として焼成され、最高温度は1250～1350℃である。
焼成は、炭素質原料の構造と物理化学的性質に大きな変化をもたらし、主にコークスの密度、機械的強度、電気伝導率の向上、コークスの化学的安定性と耐酸化性の向上につながり、後続工程の基礎を築く。
焼成設備は主にタンク式焼成炉、ロータリーキルン、電気式焼成炉から構成されます。焼成の品質管理指標は、石油コークスの真密度が2.07g/cm3以上、抵抗率が550μΩ・m以下、ニードルコークスの真密度が2.12g/cm3以上、抵抗率が500μΩ・m以下です。
原料の粉砕と成分
バッチ処理の前に、大量の焼成石油コークスとニードルコークスを粉砕、粉末化し、ふるいにかける必要がある。
中粒粉砕は通常、ジョークラッシャー、ハンマークラッシャー、ロールクラッシャーなどを用いて約50mmの粉砕装置で行われ、バッチ処理に必要な0.5～20mmサイズの材料をさらに粉砕します。
粉砕とは、懸垂式リングロールミル（レイモンドミル）、ボールミルなどを用いて、炭素質材料を0.15mm以下の粉末状の微粒子、かつ粒径0.075mm以下の微粒子に粉砕する工程である。
スクリーニングとは、粉砕後の様々な材料を、均一な開口部を持つ一連のふるいを通して、粒径範囲が狭い複数の粒度範囲に分ける工程です。現在の電極製造では、通常、4～5種類のペレットと1～2種類の粉末が必要となります。
原料配合とは、配合要件に従って、様々な骨材、粉末、結合剤を計算、計量、配合する製造工程のことです。配合の科学的妥当性と配合操作の安定性は、製品の品質指標と性能に影響を与える最も重要な要素の一つです。
この式では、以下の5つの側面を決定する必要があります。
1. 原材料の種類を選択します。
2. さまざまな種類の原材料の割合を決定する。
3．固体原料の粒度組成を決定する。
4．バインダーの量を決定する。
5．添加物の種類と量を決定する。
混練：様々な粒径の炭素質顆粒や粉末を一定量の結合剤と一定温度で混合・定量し、可塑性のあるペーストを混練する工程。
混練工程：乾式混合（20～35分）湿式混合（40～55分）
こねる役割：
1. 乾燥混合では、様々な原料が均一に混合され、粒径の異なる固体炭素質材料が均一に混合されて充填され、混合物の緻密性が向上します。
2 コールタールピッチを加えた後、乾燥材料とアスファルトを均一に混合します。液状アスファルトが顆粒の表面を均一にコーティングして湿潤させ、アスファルト結合層を形成し、すべての材料が互いに結合して均質なプラスチックスメアを形成します。成形に適しています。
3 部からなるコールタールピッチは、炭素質材料の内部空間に浸透し、ペーストの密度と凝集性をさらに高める。
成形：炭素材料の成形とは、成形装置によって加えられる外部力の下で、練り混ぜられた炭素ペーストを塑性変形させ、最終的に一定の形状、サイズ、密度、強度を持つグリーン体（または原料）を形成するプロセスを指します。
成形品の種類、設備、および製造される製品：
成形方法
共通設備
主な製品
成形
垂直油圧プレス
電気炭、低品位微細構造グラファイト
握る
水平油圧押出機
スクリュー押出機
グラファイト電極、角型電極
振動成形
振動成形機
アルミニウム炭素レンガ、高炉炭素レンガ
等方圧プレス
等方圧成形機
等方性グラファイト、異方性グラファイト
圧縮操作
1. 冷却材：ディスク冷却材、シリンダー冷却材、混合・混練冷却材など
揮発性物質を排出し、接着性を高めるために適切な温度（90～120℃）まで下げ、ペーストのブロック状が均一になるように20～30分間放置する。
2. 負荷：プレスリフトバッフル—– 2～3回切断—-4～10MPaの圧縮
3. 予備加圧：圧力20～25MPa、時間3～5分、真空引き中
4. 押出成形：バッフルを押し下げる — 5～15MPaの押出成形 — 切断 — 冷却槽へ
押出成形の技術的パラメータ：圧縮比、プレスチャンバーおよびノズル温度、冷却温度、予圧時間、押出圧力、押出速度、冷却水温度
グリーンボディ検査：かさ密度、外観測定、分析
焼成：これは、炭素製品の成形体を充填材の保護下で特別に設計された加熱炉に充填し、高温熱処理を施して成形体中の石炭ピッチを炭化させる工程です。石炭瀝青の炭化後に形成される瀝青コークスは、炭素質凝集体と粉末粒子を一体化させ、焼成された炭素製品は高い機械的強度、低い電気抵抗率、優れた熱安定性および化学的安定性を有します。
焼成は炭素製品製造における主要工程の一つであり、黒鉛電極製造における3つの主要な熱処理工程の中でも重要な部分を占めています。焼成工程は長周期（焼成22～30日、2段階焼成炉5～20日）であり、エネルギー消費量も多くなります。焼成品質は最終製品の品質と製造コストに影響を与えます。
焼成工程中に、生体中の生炭ピッチがコークス化され、揮発性物質の約10%が排出され、体積が2～3%収縮し、質量損失が8～10%となる。炭素ビレットの物理的および化学的性質も大きく変化する。多孔度は1.70 g/cm3から1.60 g/cm3に減少し、多孔度の増加により抵抗率は10000 μΩ·mから40～50 μΩ·mに減少する。焼成ビレットの機械的強度も大きい。改善のため。
二次焼成は、焼成生成物を浸漬し、その後焼成することで、焼成生成物の細孔に浸漬されたピッチを炭化させる工程です。より高い嵩密度を必要とする電極（RPを除くすべての種類）および接合ブランクは、二段階焼成が必要であり、接合ブランクはさらに三段階浸漬四段階焼成または二段階浸漬三段階焼成を受けます。
主な焙煎炉の種類：
連続運転――リング炉（蓋付き、蓋なし）、トンネル窯
断続運転 ― リバースキルン、床下焙煎機、ボックス焙煎機
焼成曲線と最高温度：
1回焙煎—320、360、422、480時間、1250℃
二次焙煎：125、240、280時間、700～800℃
焼き菓子の検査：外観検査、電気抵抗率測定、かさ密度測定、圧縮強度測定、内部構造分析
含浸処理とは、炭素材料を圧力容器に入れ、一定の温度と圧力条件下で、液状の含浸剤であるピッチを製品電極の細孔に浸透させるプロセスである。その目的は、製品の多孔性を低減し、かさ密度と機械的強度を高め、電気伝導率と熱伝導率を向上させることである。
含浸プロセスおよび関連する技術的パラメータは次のとおりです。ビレットの焙焼 – 表面洗浄 – 予熱（260～380℃、6～10時間） – 含浸タンクへの充填 – 真空引き（8～9kPa、40～50分） – アスファルトの注入（180～200℃） – 加圧（1.2～1.5MPa、3～4時間） – アスファルトへの復帰 – 冷却（タンク内またはタンク外）
含浸製品の検査：含浸重量増加率 G=(W2-W1)/W1×100%
1回の減量による体重増加率14%以上
二次含浸製品の重量増加率 ≥ 9%
3種類の浸漬製品を使用した場合の体重増加率は5%以上
黒鉛化とは、炭素製品を高温電気炉内で保護媒体中で2300℃以上の温度に加熱し、非晶質層状構造の炭素を三次元の規則的な黒鉛結晶構造に変換する高温熱処理プロセスを指す。
黒鉛化の目的と効果：
1. 炭素材料の導電率と熱伝導率を向上させる（抵抗率は4～5分の1に減少し、熱伝導率は約10倍に増加する）。
2. 炭素材料の耐熱衝撃性と化学的安定性を向上させる（線膨張係数を50～80%低減）。
3. 炭素材料の潤滑性と耐摩耗性を向上させる。
4. 排気不純物を除去し、炭素材料の純度を向上させる（製品の灰分含有量を0.5～0.8％から約0.3％に低減）。
黒鉛化プロセスの実現：
炭素材料の黒鉛化は2300～3000℃の高温で行われるため、工業的には電気加熱によってのみ実現可能であり、すなわち、加熱された焼成製品に電流を直接流し、炉に投入された焼成製品を高温の電流で加熱する導体が、再び高温に加熱される対象物となる。
現在広く使用されている炉には、アチソン式黒鉛化炉と内部加熱カスケード（LWG）炉がある。前者は出力が大きく、温度差が大きく、消費電力も高い。後者は加熱時間が短く、消費電力が少なく、電気抵抗率が均一であるが、フィッティングには適していない。
黒鉛化プロセスの制御は、温度上昇条件に適した電力曲線を測定することによって行われます。電力供給時間は、アチソン炉では50～80時間、LWG炉では9～15時間です。
黒鉛化の電力消費量は非常に大きく、一般的に3200～4800kWhであり、そのプロセスコストは総生産コストの約20～35%を占める。
黒鉛化製品の検査：外観検査、抵抗率試験
機械加工：炭素グラファイト材料の機械加工の目的は、使用要件に従って電極本体や接合部を切削加工することで、必要なサイズ、形状、精度などを実現することです。
黒鉛電極の加工は、電極本体と接合部という2つの独立した加工工程に分けられます。
本体加工は、ボーリングと粗面平面加工、外円と平面平面加工、ねじ切り加工の3つの工程から構成されます。円錐ジョイントの加工は、切削、平面平面加工、円錐面加工、ねじ切り加工、ボルト穴あけ、溝加工の6つの工程に分けられます。
電極接続部の接続方法：円錐形接続（3つのバックルと1つのバックル）、円筒形接続、突起接続（オス型とメス型の接続）
加工精度管理：ねじテーパー偏差、ねじピッチ、接合部（穴）大径偏差、接合部穴同軸度、接合部穴垂直度、電極端面平面度、接合部四点偏差。専用リングゲージおよびプレートゲージを用いて確認する。
完成した電極の検査：精度、重量、長さ、直径、かさ密度、抵抗率、組み立て前の公差など。
投稿日時：2019年10月31日