Grafito elektrodas yra aukštai temperatūrai atspari grafito laidži medžiaga, gaminama minkant naftą, adatinį koksą kaip užpildą ir anglies bitumą kaip rišiklį, taikant įvairius procesus, tokius kaip minkymas, liejimas, skrudinimas, impregnavimas, grafitizavimas ir mechaninis apdorojimas.
Grafito elektrodas yra svarbi aukštos temperatūros laidži medžiaga elektro plieno gamyboje. Grafito elektrodas naudojamas elektros energijai tiekti į elektrinę krosnį, o aukšta temperatūra, kurią sukuria lankas tarp elektrodo galo ir įkrovos, naudojama kaip šilumos šaltinis įkrovai išlydyti plieno gamyboje. Kitos rūdos krosnys, lydančios tokias medžiagas kaip geltonasis fosforas, pramoninis silicis ir abrazyvai, taip pat naudoja grafito elektrodus kaip laidžias medžiagas. Dėl puikių ir ypatingų fizikinių bei cheminių savybių grafito elektrodai taip pat plačiai naudojami kituose pramonės sektoriuose.
Grafito elektrodų gamybos žaliavos yra naftos koksas, adatinis koksas ir akmens anglių deguto pikis.
Naftos koksas yra degus kietas produktas, gaunamas koksuojant anglies likučius ir naftos pikį. Spalva juoda ir porėta, pagrindinis elementas yra anglis, o pelenų kiekis labai mažas, paprastai mažesnis nei 0,5 %. Naftos koksas priklauso lengvai grafitizuojamos anglies klasei. Naftos koksas plačiai naudojamas chemijos ir metalurgijos pramonėje. Tai pagrindinė žaliava dirbtiniams grafito produktams ir anglies produktams elektroliziniam aliuminiui gaminti.
Pagal terminio apdorojimo temperatūrą naftos koksą galima suskirstyti į dvi rūšis: neapdorotą koksą ir kalcinuotą koksą. Pirmasis naftos koksas, gautas uždelsto koksavimo būdu, turi daug lakiųjų medžiagų, o mechaninis stiprumas yra mažas. Kalcinuotas koksas gaunamas kalcinuojant neapdorotą koksą. Dauguma Kinijos naftos perdirbimo gamyklų gamina tik koksą, o kalcinavimo operacijos dažniausiai atliekamos anglies gamyklose.
Naftos koksą galima suskirstyti į didelės sieros koncentracijos koksą (kuriame yra daugiau nei 1,5 % sieros), vidutinės sieros koncentracijos koksą (kuriame yra 0,5–1,5 % sieros) ir mažos sieros koncentracijos koksą (kuriame yra mažiau nei 0,5 % sieros). Grafito elektrodų ir kitų dirbtinių grafito produktų gamybai paprastai naudojamas mažai sieros turintis koksas.
Adatinis koksas yra aukštos kokybės kokso rūšis, pasižyminti ryškia pluoštine tekstūra, labai mažu šiluminio plėtimosi koeficientu ir lengvai grafitizuojama. Suskaidžius koksą, jį galima suskaidyti į plonas juosteles pagal tekstūrą (kraštinių santykis paprastai didesnis nei 1,75). Anizotropinę pluoštinę struktūrą galima stebėti poliarizaciniu mikroskopu, todėl jis vadinamas adatiniu koksu.
Adatinio kokso fizikinių ir mechaninių savybių anizotropija yra labai akivaizdi. Jis pasižymi geru elektriniu ir šiluminiu laidumu, lygiagrečiu dalelių išilginei ašiai, o šiluminio plėtimosi koeficientas yra mažas. Liejant ekstruziniu būdu, daugumos dalelių išilginė ašis yra išdėstyta ekstruzijos kryptimi. Todėl adatinis koksas yra pagrindinė žaliava gaminant didelės arba itin didelės galios grafito elektrodus. Gautas grafito elektrodas pasižymi maža varža, mažu šiluminio plėtimosi koeficientu ir geru atsparumu šiluminiam smūgiui.
Adatinis koksas skirstomas į naftos pagrindu pagamintą adatinį koksą, pagamintą iš naftos likučių, ir anglies pagrindu pagamintą adatinį koksą, pagamintą iš rafinuotų anglies pikio žaliavų.
Akmens anglių degutas yra vienas iš pagrindinių akmens anglių deguto giluminio perdirbimo produktų. Tai įvairių angliavandenilių mišinys, aukštoje temperatūroje juoduojantis, aukštoje temperatūroje pusiau kietas arba kietas, neturintis fiksuotos lydymosi temperatūros, po kaitinimo suminkštėjantis, o vėliau išlydytas, kurio tankis yra 1,25–1,35 g/cm3. Pagal minkštėjimo temperatūrą jis skirstomas į žemos temperatūros, vidutinės temperatūros ir aukštos temperatūros asfaltą. Vidutinės temperatūros asfalto išeiga yra 54–56 % akmens anglių deguto. Akmens anglių deguto sudėtis yra itin sudėtinga, susijusi su akmens anglių deguto savybėmis ir heteroatomų kiekiu, taip pat jai įtakos turi koksavimo proceso sistema ir akmens anglių deguto perdirbimo sąlygos. Yra daug rodiklių, apibūdinančių akmens anglių deguto pikį, pavyzdžiui, bitumo minkštėjimo temperatūra, tolueno netirpių medžiagų (TI), chinolino netirpių medžiagų (QI) kiekis, koksavimo vertės ir akmens anglių deguto reologinės savybės.
Akmens anglių degutas naudojamas kaip rišiklis ir impregnantas anglies pramonėje, o jo savybės daro didelę įtaką anglies produktų gamybos procesui ir kokybei. Rišiklis asfaltas paprastai yra vidutinės temperatūros arba vidutinės temperatūros modifikuotas asfaltas, turintis vidutinę minkštėjimo temperatūrą, aukštą koksavimo vertę ir didelį β dervų kiekį. Impregnantas yra vidutinės temperatūros asfaltas, turintis žemą minkštėjimo temperatūrą, mažą QI ir geras reologines savybes.
Šiame paveikslėlyje parodytas grafito elektrodo gamybos procesas anglies įmonėje.
Kalcinavimas: anglies turinti žaliava yra termiškai apdorojama aukštoje temperatūroje, kad būtų pašalinta joje esanti drėgmė ir lakiosios medžiagos, o gamybos procesas, atitinkantis pradinių virimo savybių pagerinimą, vadinamas kalcinavimu. Paprastai anglies turinti žaliava kalcinuojama naudojant dujas ir jos pačios lakiąsias medžiagas kaip šilumos šaltinį, o maksimali temperatūra yra 1250–1350 °C.
Kalcinavimas daro didelius anglies turinčių žaliavų struktūros ir fizikinių bei cheminių savybių pokyčius, daugiausia pagerindamas kokso tankį, mechaninį stiprumą ir elektrinį laidumą, pagerindamas kokso cheminį stabilumą ir atsparumą oksidacijai, padėdamas pagrindą vėlesniam procesui.
Kalcinavimo įranga daugiausia apima bako kalcinavimo krosnį, rotacinę krosnį ir elektrinį kalcinavimo krosnį. Kalcinavimo kokybės kontrolės rodiklis yra toks, kad tikrasis naftos kokso tankis būtų ne mažesnis kaip 2,07 g/cm3, varža – ne didesnė kaip 550 μΩ·m, tikrasis adatinio kokso tankis – ne mažesnis kaip 2,12 g/cm3, o varža – ne didesnė kaip 500 μΩ·m.
Žaliavų smulkinimas ir ingredientai
Prieš maišymą birus kalcinuotas naftos koksas ir adatinis koksas turi būti susmulkinti, sumalti ir sijoti.
Vidutinis smulkinimas paprastai atliekamas maždaug 50 mm skersmens smulkinimo įranga, naudojant žandikaulio, plaktukinį, ritininį ir panašius įrenginius, kad būtų galima dar labiau susmulkinti 0,5–20 mm dydžio medžiagą, reikalingą maišymui.
Malimas – tai anglinės medžiagos malimas iki miltelių pavidalo smulkių, 0,15 mm ar mažesnių, o dalelių dydis – 0,075 mm ar mažesnis, naudojant suspensijos tipo žiedinį valcavimo malūną (Reimondo malūną), rutulinį malūną ar panašų įrenginį.
Atranka – tai procesas, kurio metu įvairios medžiagos po susmulkinimo per sietų su vienodomis skylutėmis seriją padalijamos į keletą dalelių dydžio diapazonų su siauru dydžių diapazonu. Dabartinei elektrodų gamybai paprastai reikia 4–5 granulių ir 1–2 miltelių rūšių.
Ingredientai – tai gamybos procesai, skirti įvairių užpildų, miltelių ir rišiklių agregatų apskaičiavimui, svėrimui ir koncentravimui pagal formulavimo reikalavimus. Mokslinis formulavimo tinkamumas ir maišymo operacijos stabilumas yra vieni svarbiausių veiksnių, turinčių įtakos produkto kokybės rodikliui ir eksploatacinėms savybėms.
Formulėje reikia nustatyti 5 aspektus:
1 Pasirinkite žaliavų tipą;
2 nustatyti skirtingų rūšių žaliavų proporcijas;
3. kietos žaliavos dalelių dydžio sudėties nustatymas;
4 nustatyti rišiklio kiekį;
5 Nustatykite priedų tipą ir kiekį.
Minkymas: Įvairaus dydžio anglies granulių ir miltelių maišymas ir kiekybinis nustatymas su tam tikru kiekiu rišiklio tam tikroje temperatūroje ir plastiškumo pastos minkymas procese, vadinamame minkymu.
Minkymo procesas: sausas maišymas (20–35 min.) šlapias maišymas (40–55 min.)
Minkymo vaidmuo:
1 Maišant sausą mišinį, įvairios žaliavos sumaišomos tolygiai, o skirtingo dydžio kietos anglies turinčios medžiagos sumaišomos tolygiai ir užpildomos, kad pagerėtų mišinio kompaktiškumas;
2 Įpylus akmens anglių deguto pikio, sausoji medžiaga ir asfaltas sumaišomi tolygiai. Skystas asfaltas tolygiai padengia ir sudrėkina granulių paviršių, suformuodamas asfalto rišamąjį sluoksnį, o visos medžiagos sujungiamos viena su kita, sudarydamos homogeninį plastikinį tepinėlį. Padeda formuotis;
3 dalys akmens anglių deguto pikio įsiskverbia į anglinės medžiagos vidinę erdvę, dar labiau padidindamos pastos tankį ir rišlumą.
Liejimas: anglies medžiagos liejimas – tai minkyto anglies pastos plastinio deformavimo procesas, veikiant išorinei jėgai, kurią veikia liejimo įranga, kad galiausiai būtų suformuotas žalias kūnas (arba žaliava), turintis tam tikrą formą, dydį, tankį ir stiprumą.
Liejimo rūšys, įranga ir gaminami produktai:
Liejimo metodas
Įprasta įranga
pagrindiniai produktai
Liejimas
Vertikalus hidraulinis presas
Elektroanglis, žemos kokybės smulkios struktūros grafitas
Suspauskite
Horizontalus hidraulinis ekstruderis
Sraigtinis ekstruderis
Grafito elektrodas, kvadratinis elektrodas
Vibracijos liejimas
Vibracijos formavimo mašina
Aliuminio anglies plytos, aukštakrosnės anglies plytos
Izostatinis presavimas
Izostatinė liejimo mašina
Izotropinis grafitas, anizotropinis grafitas
Suspaudimo operacija
1. Vėsi medžiaga: disko aušinimo medžiaga, cilindro aušinimo medžiaga, maišymo ir minkymo aušinimo medžiagos ir kt.
Išleiskite lakiąsias medžiagas, sumažinkite temperatūrą iki tinkamos (90–120 °C), kad padidėtų sukibimas ir pastos konsistencija būtų vienoda 20–30 min.
2 Pakrovimas: paspauskite pakėlimo pertvarą —– 2–3 kartus pjaustant — 4–10 MPa tankinimas
3 išankstiniai slėgiai: slėgis 20–25 MPa, laikas 3–5 min., siurbiant
4. išspaudimas: paspauskite deflektorių — 5–15 MPa išspaudimą — įpjaukite — į aušinimo kriauklę
Techniniai ekstruzijos parametrai: suspaudimo laipsnis, preso kameros ir antgalio temperatūra, aušinimo temperatūra, išankstinio įtempimo slėgio laikas, ekstruzijos slėgis, ekstruzijos greitis, aušinimo vandens temperatūra
Žaliojo korpuso apžiūra: tūrinis tankis, išvaizdos patikrinimas, analizė
Kalcinavimas: tai procesas, kurio metu anglies produkto žalias kūnas užpildomas specialiai suprojektuotoje kaitinimo krosnyje, apsaugotame užpildu, kad būtų atliktas aukštos temperatūros terminis apdorojimas ir karbonizuotas žaliame kūne esantis anglies pikis. Po anglies bitumo karbonizacijos susidaręs bitumo koksas sukietina anglies užpildą ir miltelių daleles, o kalcinuotas anglies produktas pasižymi dideliu mechaniniu stiprumu, maža elektrine varža, geru terminiu stabilumu ir cheminiu stabilumu.
Kalcinavimas yra vienas iš pagrindinių anglies produktų gamybos procesų ir svarbi trijų pagrindinių grafito elektrodų gamybos terminio apdorojimo procesų dalis. Kalcinavimo gamybos ciklas yra ilgas (22–30 dienų kepimui, 5–20 dienų krosnyse 2 kepimams) ir sunaudojama daug energijos. Žaliojo skrudinimo kokybė turi įtakos gatavo produkto kokybei ir gamybos sąnaudoms.
Žaliosios anglies degutas žaliame kūne degimo proceso metu koksuojasi, ir apie 10 % lakiųjų medžiagų išsiskiria dėl 2–3 % susitraukimo, o masės nuostoliai siekia 8–10 %. Anglies ruošinio fizikinės ir cheminės savybės taip pat labai pasikeitė. Dėl padidėjusio poringumo poringumas sumažėjo nuo 1,70 g/cm3 iki 1,60 g/cm3, o varža – nuo 10 000 μΩ·m iki 40–50 μΩ·m. Degto ruošinio mechaninis stiprumas taip pat buvo didelis. Tobulinimui.
Antrinis kepimas – tai procesas, kurio metu kalcinuotas produktas panardinamas ir po to kalcinuojamas, kad karbonizuotų į kalcinuoto produkto poras panardintą dervą. Elektrodai, kuriems reikalingas didesnis tūrinis tankis (visos rūšys, išskyrus RP), ir jungčių ruošiniai turi būti kepami dvigubu būdu, o jungčių ruošiniai taip pat kepami trigubu, keturiu arba dviem panardinimo, tris kartus.
Pagrindinis skrudintuvo krosnies tipas:
Nuolatinis veikimas – žiedinė krosnis (su dangčiu, be dangčio), tunelinė krosnis
Pertraukiamas veikimas – atvirkštinė krosnis, pogrindinė skrudinimo krosnis, dėžėje įrengta skrudinimo krosnis
Kalcinavimo kreivė ir maksimali temperatūra:
Vienkartinis skrudinimas – 320, 360, 422, 480 valandų, 1250 °C
Antrinis skrudinimas – 125, 240, 280 valandų, 700–800 °C
Kepinių patikrinimas: išvaizdos patikrinimas, elektrinė varža, tūrinis tankis, gniuždymo stipris, vidinės struktūros analizė
Impregnavimas – tai procesas, kurio metu anglies medžiaga dedama į slėginį indą, o skystas impregnavimo derva panardinama į gaminio elektrodo poras tam tikromis temperatūros ir slėgio sąlygomis. Tikslas – sumažinti gaminio poringumą, padidinti tūrinį tankį ir mechaninį stiprumą bei pagerinti gaminio elektrinį ir šilumos laidumą.
Impregnavimo procesas ir susiję techniniai parametrai: ruošinio deginimas – paviršiaus valymas – išankstinis pašildymas (260–380 °C, 6–10 val.) – impregnavimo rezervuaro užpildymas – vakuumavimas (8–9 KPa, 40–50 min.) – bitumo įpurškimas (180–200 °C) – slėgio didinimas (1,2–1,5 MPa, 3–4 val.) – grįžimas į asfaltą – aušinimas (rezervuaro viduje arba išorėje)
Impregnuotų gaminių patikra: impregnavimo svorio padidėjimo greitis G=(W2-W1)/W1×100%
Vieno panardinimo svorio priaugimo greitis ≥14%
Antrinio impregnavimo produkto svorio padidėjimo greitis ≥ 9%
Trijų panardinimo produktų svorio padidėjimo greitis ≥ 5%
Grafitizavimas – tai aukštos temperatūros terminio apdorojimo procesas, kurio metu anglies produktas kaitinamas iki 2300 °C ar aukštesnės temperatūros apsauginėje terpėje aukštos temperatūros elektrinėje krosnyje, kad amorfinė sluoksniuota anglies struktūra paverstų trimatę tvarkingą grafito kristalinę struktūrą.
Grafitizacijos tikslas ir poveikis:
1. pagerinti anglies medžiagos laidumą ir šilumos laidumą (varža sumažėja 4–5 kartus, o šilumos laidumas padidėja apie 10 kartų);
2. pagerinti anglies medžiagos atsparumą šiluminiam smūgiui ir cheminį stabilumą (linijinio plėtimosi koeficientas sumažintas 50–80 %);
3. Padidinti anglies pluošto medžiagos tepimo savybes ir atsparumą dilimui;
4 Išmetamųjų teršalų pašalinimas, anglies medžiagos grynumo pagerinimas (produkto pelenų kiekis sumažėja nuo 0,5–0,8 % iki maždaug 0,3 %).
Grafitizacijos proceso realizavimas:
Anglies medžiagos grafitizavimas atliekamas aukštoje 2300–3000 °C temperatūroje, todėl pramonėje tai galima įgyvendinti tik elektriniu kaitinimu, t. y. srovė tiesiogiai praeina per įkaitintą kalcinuotą produktą, o į krosnį įkraunamas kalcinuotas produktas generuojamas aukštoje temperatūroje veikiančios elektros srovės. Laidininkas vėlgi yra objektas, įkaitintas iki aukštos temperatūros.
Šiuo metu plačiai naudojamos krosnys yra „Acheson“ grafitizacijos krosnys ir vidinės kaitinimo kaskados (LWG) krosnys. Pirmoji pasižymi didele galia, dideliu temperatūrų skirtumu ir didelėmis energijos sąnaudomis. Antroji turi trumpą įkaitimo laiką, mažas energijos sąnaudas, vienodą elektrinę varžą ir netinka montavimui.
Grafitizacijos procesas valdomas matuojant elektros galios kreivę, tinkamą temperatūros kilimo sąlygai. Maitinimo laikas yra 50–80 valandų Acheson krosnies ir 9–15 valandų LWG krosnies atveju.
Grafitizacijos energijos suvartojimas yra labai didelis, paprastai 3200–4800 kWh, o proceso sąnaudos sudaro apie 20–35 % visų gamybos sąnaudų.
Grafitizuotų gaminių apžiūra: išvaizdos patikrinimas, varžos bandymas
Apdirbimas: Anglies grafito medžiagų mechaninio apdirbimo tikslas – pasiekti reikiamą dydį, formą, tikslumą ir kt. pjaustant elektrodo korpusą ir jungtis pagal naudojimo reikalavimus.
Grafito elektrodų apdorojimas skirstomas į du nepriklausomus apdorojimo procesus: elektrodo korpusą ir jungtį.
Kėbulo apdirbimas apima tris etapus: gręžimą ir šiurkštumą plokščio galo, išorinio apskritimo ir plokščio galo bei sriegio frezavimą. Kūginės jungties apdirbimą galima suskirstyti į 6 procesus: pjovimą, plokščio galo, kūgio paviršiaus apdirbimą, sriegio frezavimą, varžtų gręžimą ir griovelių išpjovimą.
Elektrodų jungčių sujungimas: kūginė jungtis (trys sagtys ir viena sagtis), cilindrinė jungtis, išsikišusi jungtis (vyriška ir moteriška jungtis)
Apdirbimo tikslumo kontrolė: sriegio kūgio nuokrypis, sriegio žingsnis, jungties (skylės) didelio skersmens nuokrypis, jungties angos koaksialumas, jungties angos vertikalumas, elektrodo galo plokštumos lygumas, jungties keturių taškų nuokrypis. Tikrinama specialiais žiediniais kalibrais ir plokšteliniais kalibrais.
Gatavų elektrodų patikra: tikslumas, svoris, ilgis, skersmuo, tūrinis tankis, varža, išankstinio surinkimo tolerancija ir kt.
Įrašo laikas: 2019 m. spalio 31 d.