흑연 전극은 석유 코크스를 골재로, 석탄 역청을 결합제로 사용하여 반죽, 성형, 소성, 함침, 흑연화 및 기계 가공과 같은 일련의 공정을 통해 생산되는 고온 내성 흑연 전도성 소재입니다.
흑연 전극은 전기로 제강에 사용되는 중요한 고온 전도성 소재입니다. 흑연 전극은 전기로에 전기 에너지를 공급하는 데 사용되며, 전극 끝과 장입물 사이에서 발생하는 아크로 인한 고온은 장입물을 녹이는 열원으로 이용됩니다. 황린, 산업용 규소, 연마재 등을 제련하는 다른 광석 용광로에서도 흑연 전극은 전도성 소재로 사용됩니다. 흑연 전극의 우수하고 특수한 물리적, 화학적 특성은 다른 산업 분야에서도 널리 활용되고 있습니다.
흑연 전극 생산의 원료는 석유 코크스, 니들 코크스 및 콜타르 피치입니다.
석유 코크스는 코크스 석탄 잔류물과 석유 피치를 반응시켜 얻는 가연성 고체 제품입니다. 검은색을 띠고 다공성이며, 주성분은 탄소이고 회분 함량은 매우 낮아 일반적으로 0.5% 미만입니다. 석유 코크스는 흑연화가 용이한 탄소 종류에 속합니다. 화학 및 야금 산업에서 폭넓게 사용되며, 인공 흑연 제품 및 전해 알루미늄용 탄소 제품 생산의 주요 원료입니다.
석유 코크스는 열처리 온도에 따라 조코크스와 소성코크스로 나눌 수 있다. 지연 코크스 공정을 통해 얻는 조코크스는 휘발성 물질 함량이 높고 기계적 강도가 낮다. 소성코크스는 조코크스를 소성하여 얻는다. 중국의 대부분 정유소는 코크스만 생산하며, 소성 공정은 주로 탄소 공장에서 이루어진다.
석유 코크스는 황 함량이 1.5% 이상인 고유황 코크스, 0.5%~1.5%인 중유황 코크스, 그리고 0.5% 미만인 저유황 코크스로 나눌 수 있다. 흑연 전극 및 기타 인공 흑연 제품의 생산에는 일반적으로 저유황 코크스가 사용된다.
니들 코크스는 섬유질 조직이 뚜렷하고 열팽창 계수가 매우 낮으며 흑연화가 용이한 고품질 코크스의 일종입니다. 코크스를 파쇄하면 조직에 따라 가느다란 막대 모양으로 갈라지는데, 일반적으로 종횡비가 1.75 이상입니다. 편광 현미경으로 관찰하면 이방성 섬유 구조가 나타나기 때문에 니들 코크스라고 불립니다.
침상 코크스는 물리적 및 기계적 특성의 이방성이 매우 뚜렷합니다. 입자의 장축 방향으로 전기 및 열 전도성이 우수하고 열팽창 계수가 낮습니다. 압출 성형 시 대부분의 입자 장축이 압출 방향으로 배열됩니다. 따라서 침상 코크스는 고출력 또는 초고출력 흑연 전극 제조의 핵심 원료입니다. 침상 코크스를 사용하여 제조된 흑연 전극은 낮은 저항률, 작은 열팽창 계수 및 우수한 열충격 저항성을 갖습니다.
니들 코크스는 석유 잔류물에서 생산되는 유성 니들 코크스와 정제된 석탄 피치 원료에서 생산되는 석탄성 니들 코크스로 나뉩니다.
석탄타르는 석탄타르 심층 가공의 주요 생성물 중 하나입니다. 다양한 탄화수소의 혼합물로, 고온에서 검은색을 띠고, 반고체 또는 고체 상태이며, 일정한 융점이 없고, 가열하면 연화되었다가 녹습니다. 밀도는 1.25~1.35 g/cm³입니다. 연화점에 따라 저온, 중온, 고온 아스팔트로 구분됩니다. 중온 아스팔트의 수율은 석탄타르의 54~56%입니다. 석탄타르의 조성은 매우 복잡하며, 석탄타르의 특성과 이종 원소 함량에 따라 달라지고, 코크스 제조 공정 시스템 및 석탄타르 가공 조건의 영향을 받습니다. 석탄타르 피치의 특성을 나타내는 지표로는 역청 연화점, 톨루엔 불용성(TI), 퀴놀린 불용성(QI), 코크스 값, 석탄 피치의 유동성 등이 있습니다.
콜타르는 탄소 산업에서 결합제 및 함침제로 사용되며, 그 성능은 탄소 제품의 생산 공정 및 제품 품질에 큰 영향을 미칩니다. 결합제 아스팔트로는 일반적으로 연화점이 적당하고 코크스값이 높으며 β 수지가 높은 중온 또는 중온 개질 아스팔트를 사용합니다. 함침제로는 연화점이 낮고 QI가 낮으며 유동성이 좋은 중온 아스팔트를 사용합니다.
다음 사진은 탄소 기업에서 흑연 전극을 생산하는 과정을 보여줍니다.
소성: 탄소질 원료를 고온에서 열처리하여 함유된 수분과 휘발성 물질을 제거하는 공정으로, 기존 조리 성능을 향상시키는 데 기여하는 생산 공정을 소성이라고 합니다. 일반적으로 탄소질 원료는 가스와 자체 휘발성 물질을 열원으로 사용하여 소성하며, 최대 온도는 1250~1350°C입니다.
소성은 탄소질 원료의 구조와 물리화학적 특성에 심대한 변화를 가져오는데, 주로 코크스의 밀도, 기계적 강도 및 전기 전도성을 향상시키고, 코크스의 화학적 안정성과 산화 저항성을 개선하여 후속 공정의 토대를 마련합니다.
소성 설비는 주로 탱크 소성로, 회전로, 전기 소성로를 포함한다. 소성 품질 관리 지표는 석유 코크스의 진밀도가 2.07g/cm³ 이상이고 비저항이 550μΩ·m 이하이며, 침상 코크스의 진밀도가 2.12g/cm³ 이상이고 비저항이 500μΩ·m 이하인 것이다.
원료 분쇄 및 성분
배합 전에 대량으로 소성된 석유 코크스와 침상 코크스는 분쇄, 연마 및 체질 과정을 거쳐야 합니다.
중간 분쇄는 일반적으로 턱 크러셔, 해머 크러셔, 롤 크러셔 등과 같은 약 50mm 크기의 분쇄 장비를 사용하여 수행되며, 이를 통해 배합에 필요한 0.5~20mm 크기의 재료를 추가로 분쇄합니다.
분쇄는 현탁식 링 롤 밀(레이몬드 밀), 볼 밀 또는 이와 유사한 장비를 이용하여 탄소질 물질을 0.15mm 이하의 미세 분말 및 0.075mm 이하의 입자 크기로 분쇄하는 공정입니다.
선별은 분쇄 후 다양한 재료를 균일한 크기의 체를 여러 개 통과시켜 입자 크기 범위가 좁은 여러 등급으로 나누는 공정입니다. 현재 전극 생산에는 일반적으로 4~5가지 펠릿과 1~2가지 분말 등급이 필요합니다.
원료 배합은 배합 요구사항에 따라 다양한 골재, 분말 및 결합제를 계산, 계량 및 조량하는 생산 공정입니다. 배합의 과학적 적합성과 배치 공정의 안정성은 제품의 품질 지표 및 성능에 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나입니다.
이 공식은 다음 5가지 측면을 결정해야 합니다.
1. 원자재의 종류를 선택하십시오.
2. 다양한 종류의 원료 비율을 결정합니다.
3. 고체 원료의 입자 크기 조성을 결정하는 단계;
4. 결합제의 양을 결정합니다.
5. 첨가제의 종류와 양을 결정하십시오.
반죽: 다양한 입자 크기의 탄소질 과립 및 분말을 일정량의 결합제와 함께 일정 온도에서 혼합하고, 반죽하여 가소성 반죽을 만드는 공정을 반죽이라고 합니다.
반죽 과정: 건식 혼합(20-35분) 습식 혼합(40-55분)
반죽의 역할:
1. 건식 혼합 시, 다양한 원료가 균일하게 혼합되고, 입자 크기가 다른 고체 탄소질 물질이 균일하게 혼합되어 채워짐으로써 혼합물의 밀도가 향상됩니다.
2. 콜타르 피치를 첨가한 후, 건조 재료와 아스팔트가 균일하게 혼합됩니다. 액상 아스팔트는 과립 표면을 균일하게 코팅하고 적셔 아스팔트 접착층을 형성하며, 모든 재료가 서로 접착되어 균일한 가소성 막을 형성합니다. 이는 성형에 유리합니다.
콜타르 피치 3부분이 탄소질 물질의 내부 공간으로 침투하여 페이스트의 밀도와 응집력을 더욱 증가시킵니다.
성형: 탄소 소재 성형이란 반죽된 탄소 페이스트에 성형 장비가 가하는 외부 힘을 가하여 소성 변형시켜 최종적으로 특정 형상, 크기, 밀도 및 강도를 갖는 성형체(또는 원료 제품)를 만드는 공정을 말합니다.
성형 유형, 장비 및 생산 제품:
성형 방법
공용 장비
주요 제품
조형
수직 유압 프레스
전기 탄소, 저급 미세 구조 흑연
짜내다
수평 유압 압출기
스크류 압출기
흑연 전극, 사각형 전극
진동 성형
진동 성형기
알루미늄 탄소벽돌, 고로용 탄소벽돌
등압 프레스
등압 성형기
등방성 흑연, 비등방성 흑연
압착 작동
1. 냉각 재료: 디스크 냉각 재료, 실린더 냉각 재료, 혼합 및 반죽 냉각 재료 등
휘발성 물질을 제거하고, 접착력을 높이기 위해 적절한 온도(90~120°C)로 낮추어 20~30분 동안 반죽의 블록성이 균일해지도록 합니다.
2. 로딩: 프레스 리프트 배플 —– 2-3회 절단 —-4-10MPa 압축
3. 예비 압력: 압력 20-25MPa, 시간 3-5분, 진공 흡입 중
4. 압출: 배플을 아래로 눌러 압축합니다(5-15MPa 압출) - 절단 - 냉각 싱크에 삽입합니다
압출 공정의 기술적 매개변수: 압축비, 프레스 챔버 및 노즐 온도, 냉각 온도, 예압 시간, 압출 압력, 압출 속도, 냉각수 온도
그린 바디 검사: 부피 밀도, 외관 두드림, 분석
소성: 소성 공정은 특수 설계된 가열로에 충전재 보호 하에 탄소 제품의 성형체를 넣고 고온 열처리를 수행하여 성형체 내의 석탄 피치를 탄화시키는 공정입니다. 석탄 역청의 탄화로 생성된 역청 코크스는 탄소질 골재와 분말 입자가 함께 고화되며, 소성된 탄소 제품은 높은 기계적 강도, 낮은 전기 저항, 우수한 열 안정성 및 화학적 안정성을 갖습니다.
소성은 탄소 제품 생산의 주요 공정 중 하나이며, 흑연 전극 생산의 3대 열처리 공정에서도 중요한 부분을 차지합니다. 소성 공정은 장기간(소성 공정은 22~30일, 2회 소성로 공정은 5~20일)에 걸쳐 진행되며, 에너지 소비량도 높습니다. 소성 전의 품질은 최종 제품의 품질과 생산 비용에 큰 영향을 미칩니다.
소성 과정에서 미가공 석탄 피치가 코크스화되고, 휘발성 물질의 약 10%가 제거되며, 부피는 2~3% 수축하고, 질량 손실은 8~10%에 달합니다. 탄소 빌릿의 물리화학적 특성 또한 크게 변화했습니다. 기공률은 1.70 g/cm³에서 1.60 g/cm³로 감소했고, 비저항은 기공률 증가로 인해 10,000 μΩ·m에서 40~50 μΩ·m로 감소했습니다. 소성된 빌릿의 기계적 강도 또한 크게 향상되었습니다.
2차 소성 공정은 소성된 제품을 침지시킨 후 소성하여 소성 제품의 기공에 있는 피치를 탄화시키는 공정입니다. 더 높은 부피 밀도가 요구되는 전극(RP를 제외한 모든 종류)과 접합 블랭크는 2차 소성 공정을 거쳐야 하며, 접합 블랭크는 3회 침지 후 4회 소성 또는 2회 침지 후 3회 소성 공정도 추가로 거칩니다.
로스터의 주 가열로 유형:
연속 운전 방식 - 링형 가마(덮개 유무), 터널형 가마
간헐적 운전 방식 - 역방향 가마, 바닥 매립형 로스터, 박스형 로스터
소성 곡선 및 최고 온도:
일회성 로스팅 - 320, 360, 422, 480시간, 1250°C
2차 로스팅 - 125, 240, 280시간, 700-800°C
구운 제품 검사: 외관, 두드림, 전기 저항, 부피 밀도, 압축 강도, 내부 구조 분석
함침은 탄소 소재를 압력 용기에 넣고 특정 온도 및 압력 조건에서 액체 함침제인 피치를 제품 전극의 기공에 침투시키는 공정입니다. 이 공정의 목적은 제품의 다공성을 감소시키고, 부피 밀도와 기계적 강도를 증가시키며, 전기 및 열 전도성을 향상시키는 것입니다.
함침 공정 및 관련 기술 매개변수는 다음과 같습니다: 빌릿 소성 – 표면 세척 – 예열(260-380°C, 6-10시간) – 함침 탱크 적재 – 진공(8-9kPa, 40-50분) – 역청 주입(180-200°C) – 가압(1.2-1.5MPa, 3-4시간) – 아스팔트로 복귀 – 냉각(탱크 내부 또는 외부)
함침 제품 검사: 함침 중량 증가율 G=(W2-W1)/W1×100%
체중 증가율이 14% 이상인 경우가 한 번 있었습니다.
2차 함침 제품의 중량 증가율 ≥ 9%
세 가지 디핑 제품의 중량 증가율 ≥ 5%
흑연화는 고온 전기로에서 보호 매체 하에 탄소 제품을 2300°C 이상의 온도로 가열하여 비정질 층상 구조의 탄소를 3차원적으로 규칙적인 흑연 결정 구조로 변환하는 고온 열처리 공정을 말합니다.
흑연화의 목적과 효과:
1. 탄소 소재의 전도성 및 열전도성을 향상시킵니다(저항률은 4~5배 감소하고, 열전도성은 약 10배 증가합니다).
2. 탄소 소재의 열충격 저항성 및 화학적 안정성을 향상시킵니다(선팽창 계수 50~80% 감소).
3. 탄소 소재의 윤활성 및 내마모성을 향상시키기 위함;
4. 배출 불순물을 제거하여 탄소 소재의 순도를 향상시킵니다(제품의 회분 함량이 0.5~0.8%에서 약 0.3%로 감소합니다).
흑연화 공정의 실현:
탄소 소재의 흑연화는 2300~3000°C의 고온에서 진행되므로 산업적으로는 전기 가열 방식, 즉 전류가 가열된 소성 생성물을 직접 통과하는 방식으로만 구현할 수 있습니다. 고온의 전류가 흐르는 도체를 통해 고온의 소성 생성물이 가열됩니다.
현재 널리 사용되는 전기로에는 애치슨 흑연화로와 내부 열 캐스케이드(LWG)로가 있습니다. 애치슨 흑연화로는 생산량이 많고 온도차가 크며 전력 소비량이 높습니다. 반면 LWG로는 가열 시간이 짧고 전력 소비량이 낮으며 전기 저항이 균일하지만 설치에는 적합하지 않습니다.
흑연화 공정 제어는 온도 상승 조건에 적합한 전력 곡선을 측정하여 이루어집니다. 전력 공급 시간은 애치슨로의 경우 50~80시간, LWG로의 경우 9~15시간입니다.
흑연화 공정의 전력 소비량은 매우 커서 일반적으로 3200~4800kWh에 달하며, 이 공정 비용은 총 생산 비용의 약 20~35%를 차지합니다.
흑연화 제품 검사: 외관 검사, 두드림 검사, 저항률 테스트
기계 가공: 탄소 흑연 소재의 기계 가공의 목적은 사용 요구 사항에 따라 전극 본체와 접합부를 절단하여 필요한 크기, 모양, 정밀도 등을 얻는 것입니다.
흑연 전극 가공은 전극 본체와 접합부라는 두 가지 독립적인 가공 공정으로 나뉩니다.
본체 가공은 보링 및 황삭 평면 가공, 외측 원면 및 평면 가공, 나사 밀링 가공의 세 단계로 구성됩니다. 원추형 조인트 가공은 절삭, 평면 가공, 원추형 면 가공, 나사 밀링 가공, 볼트 드릴링 및 슬로팅의 6단계 공정으로 나눌 수 있습니다.
전극 접합부 연결 방식: 원뿔형 접합부 연결(버클 3개 및 버클 1개), 원통형 접합부 연결, 범프형 접합부(수-암 연결)
가공 정밀도 관리: 나사산 테이퍼 편차, 나사산 피치, 접합부(구멍) 대구경 편차, 접합부 구멍 동축도, 접합부 구멍 수직도, 전극 단면 평탄도, 접합부 4점 편차. 특수 링 게이지 및 플레이트 게이지를 사용하여 검사합니다.
완성된 전극 검사: 정확도, 무게, 길이, 직경, 부피 밀도, 저항률, 조립 전 공차 등
게시일: 2019년 10월 31일