グラファイト電極の製造プロセス

グラファイト電極は、石油を練り、ニードルコークスを骨材とし、石炭ビチューメンをバインダーとして、混練、成形、焙焼、含浸、黒鉛化、機械加工などの一連のプロセスを経て製造される耐熱性グラファイト導電材料です。

黒鉛電極は、電気製鋼における重要な高温伝導材料です。黒鉛電極は電気炉に電気エネルギーを入力する際に​​使用され、電極端と装入物との間のアークによって発生する高温は、装入物を溶解して製鋼するための熱源として利用されます。黄リン、工業用シリコン、研磨剤などの材料を製錬する他の鉱石炉でも、黒鉛電極は伝導材料として使用されています。黒鉛電極の優れた特殊な物理的・化学的特性は、他の産業分野でも広く利用されています。
グラファイト電極の製造原料は石油コークス、ニードルコークス、コールタールピッチです。

石油コークスは、石炭残渣と石油ピッチを原料として得られる可燃性の固体製品です。黒色で多孔質であり、主成分は炭素です。灰分含有量は非常に低く、通常0.5%未満です。石油コークスは易黒鉛化炭素の一種です。石油コークスは化学工業および冶金工業において幅広い用途を有し、人造黒鉛製品や電解アルミニウム用炭素製品の主原料となっています。

石油コークスは、熱処理温度の違いにより、生コークスと焼成コークスの2種類に分けられます。前者は遅延コーキング法で得られる石油コークスで、揮発分が多く、機械的強度が低いのが難点です。焼成コークスは生コークスを焼成して得られます。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、焼成作業は主に炭素工場で行われています。

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）に分類されます。グラファイト電極などの人造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ます。

ニードルコークスは、明確な繊維状組織、非常に低い熱膨張係数、そして容易な黒鉛化を特徴とする高品質コークスの一種です。コークスを破砕すると、組織に応じて細長い帯状に分割されます（アスペクト比は通常1.75以上）。偏光顕微鏡で観察すると、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ます。

ニードルコークスの物理機械的性質の異方性は非常に顕著で、粒子の長軸方向に平行な導電性と熱伝導性に優れ、熱膨張係数が低い。押出成形において、ほとんどの粒子の長軸は押出方向に揃う。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である。製造されたグラファイト電極は、抵抗率が低く、熱膨張係数が小さく、耐熱衝撃性に優れている。

ニードルコークスは、石油残渣から製造される石油系ニードルコークスと、精製石炭ピッチを原料として製造される石炭系ニードルコークスに分けられます。

コールタールは、コールタール深層処理の主要製品の一つです。各種炭化水素の混合物で、高温では黒色、半固体または高温で固体で、融点は一定ではなく、加熱後に軟化してから溶融し、密度は1.25～1.35 g / cm3です。軟化点によって、低温アスファルト、中温アスファルト、高温アスファルトに分けられます。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とヘテロ原子の含有量に関連し、コークス化プロセスシステムとコールタール処理条件の影響も受けます。コールタールピッチを特徴付ける指標は、ビチューメン軟化点、トルエン不溶分（TI）、キノリン不溶分（QI）、コークス化値、石炭ピッチレオロジーなど、数多くあります。

コールタールは炭素産業においてバインダーや含浸剤として使用され、その性能は炭素製品の製造プロセスと製品品質に大きな影響を与えます。バインダーアスファルトには、一般的に、中程度の軟化点、高いコークス価、高いβ樹脂を有する中温アスファルトまたは中温改質アスファルトが用いられます。含浸剤には、低軟化点、低QI、良好なレオロジー特性を有する中温アスファルトが用いられます。

次の写真は、炭素企業におけるグラファイト電極の製造プロセスを示しています。
焼成：炭素質原料を高温で熱処理し、含まれる水分や揮発分を排出することで、本来の調理性能を向上させる製造工程を焼成といいます。一般的には、炭素質原料はガスやその揮発分を熱源として焼成され、最高温度は1250～1350℃です。

焼成は、主にコークスの密度、機械的強度、導電性を向上させ、コークスの化学的安定性と耐酸化性を向上させ、後続のプロセスの基礎を築くことで、炭素質原料の構造と物理化学的特性に大きな変化をもたらします。

焼成設備には、主にタンク式焼成炉、ロータリー窯、電気式焼成炉が含まれます。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、バルクの焼成石油コークスとニードルコークスを粉砕し、磨砕し、ふるいにかける必要があります。

中破砕は、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等を用いて、直径50mm程度の破砕設備で行い、バッチ処理に必要な0.5～20mmサイズの材料をさらに破砕する。

粉砕とは、炭素質材料を、懸濁型リングロールミル（レイモンドミル）やボールミルなどを用いて、粒径が０．１５ｍｍ以下、粒子径が０．０７５ｍｍ以下の粉末状の小さな粒子になるまで粉砕する工程である。

選別とは、粉砕後の幅広い材料を、均一な目開きを持つ一連のふるいを通して、粒度範囲が狭い複数の粒度範囲に分けるプロセスです。現在の電極製造では、通常、4～5個のペレットと1～2種類の粉末グレードが必要です。

原料とは、配合要件に従って、様々な骨材、粉末、バインダーを計算、計量、そして濃縮する製造プロセスです。配合の科学的適合性とバッチング操作の安定性は、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。

式では 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 異なる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します。

混練：様々な粒径の炭素質顆粒や粉末を一定量のバインダーと一定の温度で混合・定量し、可塑性ペーストを練り込む工程を混練といいます。

混練工程：乾式混合（20～35分）、湿式混合（40～55分）

こねる役割：
1 乾式混合では、各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添加した後、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被覆・湿潤し、アスファルト結合層を形成します。これにより、全ての材料が互いに結合し、均質な可塑性塗膜を形成します。成形性に優れています。
3 部のコールタールピッチが炭素質材料の内部空間に浸透し、ペーストの密度と凝集力がさらに高まります。

成形：炭素材料の成形とは、混練された炭素ペーストを成形装置によって加えられた外力によって塑性変形させ、最終的に一定の形状、サイズ、密度、強度を有するグリーンボディ（または生の製品）を形成するプロセスを指します。

成形品、設備、生産製品の種類：
成形方法
共通装備
主な製品
成形
垂直油圧プレス
電気炭素、低品位微細構造グラファイト
絞る
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
アルミニウムカーボンレンガ、高炉カーボンレンガ
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

スクイーズ操作
1 冷却材：ディスク冷却材、シリンダー冷却材、混合混練用冷却材など。
揮発分を排出し、適切な温度（90〜120℃）に下げて接着力を高め、ペーストの塊が20〜30分間均一になるようにします。
2 荷重：バッフルを押し上げて2～3回切断し、4～10MPaで圧縮する
3 予圧：圧力20～25MPa、時間3～5分、真空引きしながら
4 押し出し：バッフルを押し下げる - 5-15MPa押し出し - カット - 冷却シンクに

押出の技術的パラメータ：圧縮比、プレス室およびノズル温度、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：嵩密度、外観タッピング、分析

焼成：炭素製品成形体を充填材の保護下で専用加熱炉に充填し、高温熱処理を施すことで成形体中の石炭ピッチを炭化する工程です。石炭ビチューメンの炭化後に形成されるビチューメンコークスは、炭素質骨材と粉末粒子を一体化して固化するため、焼成炭素製品は高い機械的強度、低い電気抵抗率、良好な熱安定性、良好な化学的安定性を有します。

焼成は炭素製品の製造における主要工程の一つであり、グラファイト電極製造における三大熱処理工程の重要な一部でもあります。焼成の生産サイクルは長く（焼成工程は22～30日、焼成炉は2回焼成で5～20日）、エネルギー消費量も高くなります。グリーン焙焼の品質は、最終製品の品質と生産コストに影響を与えます。

グリーン体中のグリーン炭ピッチは焙焼工程でコークス化し、約10%の揮発分が排出され、体積収縮率は2～3%、質量損失は8～10%です。炭素ビレットの物理的・化学的性質も大きく変化しました。気孔率は1.70 g/cm3から1.60 g/cm3に減少し、抵抗率は気孔率の増加により10000 μΩ·mから40～50 μΩ·mに低下しました。焼成ビレットの機械的強度も大きく向上しました。

二次焼成は、焼成物を浸漬した後、焼成することで、焼成物の細孔に浸漬したピッチを炭化する工程です。高い嵩密度が求められる電極（RPを除く全品種）や接合用ブランクは、二度焼成が必須であり、接合用ブランクは三度浸漬四度焼成または二度浸漬三度焼成を行います。

焙煎機の主な炉の種類：
連続運転 - リング炉（カバー付き、カバーなし）、トンネル窯
間欠運転 - 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℃

焼成製品の検査：外観検査、電気抵抗率、嵩密度、圧縮強度、内部構造分析

含浸とは、炭素材料を圧力容器に入れ、一定の温度・圧力条件下で液状の含浸ピッチを製品電極の細孔に浸漬させるプロセスです。製品の多孔度を低減し、製品の嵩密度と機械的強度を高め、電気伝導性と熱伝導性を向上させることを目的としています。

含浸プロセスと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） – ビチューメンの注入（180～200℃） – 加圧（1.2～1.5MPa、3～4時間） – アスファルトへの戻し – 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回の体重増加率≥14%
二次含浸製品の重量増加率 ≥ 9%
3つの浸漬製品の重量増加率≥5％

黒鉛化とは、高温電気炉内の保護媒体中で炭素製品を2300℃以上の温度に加熱し、非晶質層状構造炭素を三次元秩序化黒鉛結晶構造に変換する高温熱処理プロセスを指します。

グラファイト化の目的と効果：
1.炭素材料の導電性と熱伝導性を向上させる（抵抗率は4〜5倍減少し、熱伝導率は約10倍増加する）。
2.炭素材料の耐熱衝撃性と化学的安定性を向上する（線膨張係数が50～80％減少）。
３．炭素材料に潤滑性と耐摩耗性を与える。
4 不純物を排出し、炭素材料の純度を向上させます（製品の灰分含有量は 0.5～0.8％ から約 0.3％ に減少します）。

グラファイト化プロセスの実現：

炭素材料の黒鉛化は2300～3000℃の高温で行われるため、業界では電気加熱、つまり加熱された焼成物に直接電流を流すことでしか実現できません。炉内に投入された焼成物は、電流によって高温で生成されます。導体もまた、高温に加熱される物体です。

現在広く使用されている炉には、アチソン黒鉛化炉と内部熱カスケード（LWG）炉があります。前者は出力が大きく、温度差が大きく、消費電力が大きいのに対し、後者は加熱時間が短く、消費電力が低く、電気抵抗が均一で、フィッティングには適していません。

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で行われます。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、一般的には 3200 ～ 4800KWh であり、プロセスコストは総生産コストの約 20 ～ 35% を占めます。

黒鉛化製品の検査：外観検査、抵抗率検査

機械加工：カーボングラファイト材料の機械加工の目的は、使用要件に応じて電極本体とジョイントを切断して、必要なサイズ、形状、精度などを達成することです。

グラファイト電極の加工は、電極本体とジョイントという 2 つの独立した加工プロセスに分かれています。

本体加工は、ボーリングと粗面加工、外径加工、平面加工、フライス加工の3工程から構成されます。円錐ジョイントの加工は、切削、平面加工、円錐加工、フライス加工、ボルト穴あけ、溝入れ加工の6工程に分けられます。

電極ジョイントの接続：円錐ジョイント接続（バックル3個とバックル1個）、円筒ジョイント接続、バンプ接続（オスとメスの接続）

加工精度管理：ねじテーパ偏差、ねじピッチ、ジョイント（穴）大径偏差、ジョイント穴同軸度、ジョイント穴垂直度、電極端面平坦度、ジョイント4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検査します。

完成した電極の検査：精度、重量、長さ、直径、嵩密度、抵抗率、組み立て前許容差など。