Grafietelektroden zijn hittebestendige, geleidende grafietmaterialen die worden geproduceerd uit petroleumklei, naaldcokes als aggregaat en steenkoolbitumen als bindmiddel. Dit proces omvat een reeks handelingen zoals kneden, vormen, roosteren, impregneren, grafitisatie en mechanische bewerking.
De grafietelektrode is een belangrijk hittebestendig geleidend materiaal voor de elektrische staalproductie. De grafietelektrode wordt gebruikt om elektrische energie aan de oven toe te voeren, en de hoge temperatuur die ontstaat door de boog tussen het uiteinde van de elektrode en de lading, dient als warmtebron om de lading te smelten voor de staalproductie. Ook andere ertsovens die materialen smelten zoals gele fosfor, industrieel silicium en schuurmiddelen, gebruiken grafietelektroden als geleidend materiaal. De uitstekende en bijzondere fysische en chemische eigenschappen van grafietelektroden zorgen ervoor dat ze ook in andere industriële sectoren veelvuldig worden gebruikt.
De grondstoffen voor de productie van grafietelektroden zijn petroleumcokes, naaldcokes en koolteerpek.
Petroleumcokes is een brandbaar vast product dat wordt verkregen door het cokesvormen van steenkoolresidu en petroleumpek. Het is zwart van kleur en poreus, het hoofdbestanddeel is koolstof en het asgehalte is zeer laag, doorgaans minder dan 0,5%. Petroleumcokes behoort tot de klasse van gemakkelijk te grafitiseren koolstof. Petroleumcokes heeft een breed scala aan toepassingen in de chemische en metallurgische industrie. Het is de belangrijkste grondstof voor de productie van kunstmatig grafiet en koolstofproducten voor elektrolytisch aluminium.
Petroleumcokes kan, afhankelijk van de warmtebehandelingstemperatuur, worden onderverdeeld in twee typen: ruwe cokes en gecalcineerde cokes. De ruwe cokes, verkregen door vertraagde cokesvorming, bevat een grote hoeveelheid vluchtige stoffen en heeft een lage mechanische sterkte. Gecalcineerde cokes wordt verkregen door het calcineren van ruwe cokes. De meeste raffinaderijen in China produceren alleen cokes, en de calcineringsprocessen worden meestal uitgevoerd in koolstofinstallaties.
Petroleumcokes kan worden onderverdeeld in cokes met een hoog zwavelgehalte (meer dan 1,5% zwavel), cokes met een gemiddeld zwavelgehalte (0,5%-1,5% zwavel) en cokes met een laag zwavelgehalte (minder dan 0,5% zwavel). Voor de productie van grafietelektroden en andere kunstmatige grafietproducten wordt over het algemeen cokes met een laag zwavelgehalte gebruikt.
Naaldcokes is een soort hoogwaardige cokes met een duidelijke vezelstructuur, een zeer lage thermische uitzettingscoëfficiënt en gemakkelijke grafitisatie. Wanneer de cokes wordt gebroken, kan deze op basis van de structuur in dunne stroken worden gesplitst (de aspectverhouding is over het algemeen groter dan 1,75). Onder een polarisatiemicroscoop is een anisotrope vezelstructuur waarneembaar, vandaar de naam naaldcokes.
De anisotropie van de fysisch-mechanische eigenschappen van naaldcokes is zeer duidelijk. Het heeft een goede elektrische en thermische geleidbaarheid parallel aan de lange as van het deeltje, en de thermische uitzettingscoëfficiënt is laag. Bij extrusievorming is de lange as van de meeste deeltjes in de extrusierichting georiënteerd. Daarom is naaldcokes een belangrijke grondstof voor de productie van hoogvermogen- of ultrahoogvermogen-grafietelektroden. De geproduceerde grafietelektrode heeft een lage soortelijke weerstand, een kleine thermische uitzettingscoëfficiënt en een goede thermische schokbestendigheid.
Naaldcokes wordt onderverdeeld in op olie gebaseerde naaldcokes, geproduceerd uit aardolieresiduen, en op steenkool gebaseerde naaldcokes, geproduceerd uit geraffineerde steenkoolpekgrondstoffen.
Steenkoolteer is een van de belangrijkste producten van de diepverwerking van steenkoolteer. Het is een mengsel van verschillende koolwaterstoffen, zwart bij hoge temperaturen, halfvast of vast bij hoge temperaturen, zonder vast smeltpunt, zachter na verhitting en vervolgens smeltend, met een dichtheid van 1,25-1,35 g/cm³. Afhankelijk van het verwekingspunt wordt het onderverdeeld in asfalt voor lage temperaturen, middelhoge temperaturen en hoge temperaturen. De opbrengst van asfalt voor middelhoge temperaturen bedraagt 54-56% steenkoolteer. De samenstelling van steenkoolteer is zeer complex en hangt samen met de eigenschappen van steenkoolteer en het gehalte aan heteroatomen, en wordt ook beïnvloed door het cokesproces en de verwerkingsomstandigheden van steenkoolteer. Er zijn veel indicatoren om steenkoolteer te karakteriseren, zoals het verwekingspunt van bitumen, tolueenonoplosbare stoffen (TI), chinolineonoplosbare stoffen (QI), cokewaarden en de reologie van steenkoolteer.
Koolteer wordt in de koolstofindustrie gebruikt als bindmiddel en impregneermiddel, en de eigenschappen ervan hebben een grote invloed op het productieproces en de productkwaliteit van koolstofproducten. Het bindmiddel is doorgaans een asfaltsoort voor middelhoge temperaturen of een gemodificeerde asfaltsoort voor middelhoge temperaturen met een matig verwekingspunt, een hoge cokeswaarde en een hoog β-harsgehalte. Het impregneermiddel is een asfaltsoort voor middelhoge temperaturen met een laag verwekingspunt, een lage QI-waarde en goede reologische eigenschappen.
De volgende afbeelding toont het productieproces van grafietelektroden bij een koolstofbedrijf.
Calcinatie: Het koolstofhoudende ruwe materiaal wordt bij een hoge temperatuur verhit om het vocht en de vluchtige stoffen die erin zitten te verwijderen. Dit productieproces, dat de oorspronkelijke kookeigenschappen verbetert, wordt calcinatie genoemd. Over het algemeen wordt het koolstofhoudende ruwe materiaal gecalcineerd met behulp van gas en zijn eigen vluchtige stoffen als warmtebron, waarbij de maximale temperatuur 1250-1350 °C bedraagt.
Calcinatie brengt ingrijpende veranderingen teweeg in de structuur en fysisch-chemische eigenschappen van koolstofhoudende grondstoffen, met name door de dichtheid, mechanische sterkte en elektrische geleidbaarheid van cokes te verbeteren, de chemische stabiliteit en oxidatieweerstand van cokes te verhogen en zo een basis te leggen voor het daaropvolgende proces.
De calcineerinstallaties omvatten hoofdzakelijk tankcalcinatieovens, draaiovens en elektrische calcineerovens. De kwaliteitscontrole-index voor calcinatie is dat de werkelijke dichtheid van petroleumcokes niet minder dan 2,07 g/cm³ is en de soortelijke weerstand niet meer dan 550 μΩ·m bedraagt, en dat de werkelijke dichtheid van naaldcokes niet minder dan 2,12 g/cm³ is en de soortelijke weerstand niet meer dan 500 μΩ·m bedraagt.
Grondstoffen vermalen en ingrediënten
Voordat de bulk gecalcineerde petroleumcokes en naaldcokes worden verwerkt, moeten ze worden vermalen, gemalen en gezeefd.
Het verkleinen van het materiaal tot een gemiddelde grootte wordt meestal gedaan met breekapparatuur van ongeveer 50 mm, zoals een kaakbreker, hamerbreker, walsbreker en dergelijke, om het voor de batchverwerking benodigde materiaal verder te verkleinen tot een grootte van 0,5-20 mm.
Malen is een proces waarbij een koolstofhoudend materiaal wordt vermalen tot poederachtige deeltjes met een grootte van 0,15 mm of minder en een deeltjesgrootte van 0,075 mm of minder, met behulp van een ringwalsmolen (Raymond-molen), een kogelmolen of een soortgelijke machine.
Zeven is een proces waarbij een breed scala aan materialen na vermaling wordt verdeeld in verschillende deeltjesgroottebereiken met een smalle spreiding door middel van een reeks zeven met uniforme openingen. De huidige elektrodeproductie vereist doorgaans 4-5 korrels en 1-2 poederkwaliteiten.
Ingrediënten zijn de productieprocessen voor het berekenen, wegen en concentreren van de verschillende aggregaten, poeders en bindmiddelen volgens de formuleringseisen. De wetenschappelijke geschiktheid van de formulering en de stabiliteit van het mengproces behoren tot de belangrijkste factoren die de kwaliteitsindex en de prestaties van het product beïnvloeden.
De formule moet 5 aspecten bepalen:
1. Selecteer het type grondstoffen;
2. Bepaal de verhouding van de verschillende soorten grondstoffen;
3. het bepalen van de deeltjesgrootteverdeling van de vaste grondstof;
4. Bepaal de hoeveelheid bindmiddel;
5. Bepaal het type en de hoeveelheid additieven.
Kneden: Het mengen en afmeten van verschillende deeltjesgroottes van koolstofhoudende korrels en poeders met een bepaalde hoeveelheid bindmiddel bij een bepaalde temperatuur, en het kneden van de resulterende plasticiteitspasta. Dit proces wordt kneden genoemd.
Kneedproces: droog mengen (20-35 min) nat mengen (40-55 min)
De rol van kneden:
1. Bij droog mengen worden de verschillende grondstoffen gelijkmatig gemengd, en de vaste koolstofhoudende materialen van verschillende deeltjesgroottes worden gelijkmatig gemengd en gevuld om de compactheid van het mengsel te verbeteren;
2. Na toevoeging van koolteerpek worden het droge materiaal en het asfalt gelijkmatig gemengd. Het vloeibare asfalt bedekt en bevochtigt het oppervlak van de korrels gelijkmatig, waardoor een hechtlaag ontstaat. Alle materialen hechten zich aan elkaar en vormen een homogene, plastische massa. Dit is gunstig voor het vormen.
Drie delen koolteerpek dringen door tot in de binnenste ruimte van het koolstofhoudende materiaal, waardoor de dichtheid en samenhang van de pasta verder toenemen.
Vormen: Het vormen van koolstofmateriaal verwijst naar het proces waarbij de geknede koolstofpasta plastisch wordt vervormd onder invloed van de externe kracht die door de vormapparatuur wordt uitgeoefend, om uiteindelijk een groen lichaam (of ruw product) te vormen met een bepaalde vorm, grootte, dichtheid en sterkte.
Soorten gietvormen, apparatuur en geproduceerde producten:
Vormmethode
Gemeenschappelijke uitrusting
belangrijkste producten
Vormgeving
Verticale hydraulische pers
Elektrische koolstof, laagwaardig fijnstructuurgrafiet
Knijpen
Horizontale hydraulische extruder
Schroefextruder
Grafietelektrode, vierkante elektrode
Trillingsvormen
Trillingsvormmachine
Aluminium koolstofsteen, hoogoven koolstofsteen
Isostatisch persen
Isostatische vormmachine
Isotropisch grafiet, anisotropisch grafiet
Persoperatie
1. Koelmateriaal: koelmateriaal voor schijven, koelmateriaal voor cilinders, koelmateriaal voor meng- en kneedmachines, enz.
Ontlucht de vluchtige stoffen, verlaag de temperatuur tot een geschikte waarde (90-120 °C) om de hechting te verbeteren, zodat de pasta gedurende 20-30 minuten een uniforme blokstructuur heeft.
2. Laden: pershefschot —– 2-3 keer snijden —- 4-10 MPa verdichting
3. Voordruk: druk 20-25 MPa, tijd 3-5 min, tijdens het vacuümtrekken.
4. Extrusie: druk de schotplaat naar beneden — extrusie met 5-15 MPa — snijden — in de koelgootsteen
Technische parameters van extrusie: compressieverhouding, temperatuur van de perskamer en het mondstuk, koeltemperatuur, voordrukduur, extrusiedruk, extrusiesnelheid, temperatuur van het koelwater.
Inspectie van het ongebakken product: bulkdichtheid, uiterlijke inspectie, analyse
Calcinatie: Dit is een proces waarbij het groene koolstofproduct in een speciaal ontworpen oven wordt geplaatst, onder bescherming van de vulstof, om een warmtebehandeling bij hoge temperatuur uit te voeren. Hierdoor wordt de steenkoolpek in het groene product gecarboniseerd. De bitumencokes die na de carbonisatie van de steenkoolbitumen ontstaan, stollen de koolstofhoudende aggregaten en poederdeeltjes samen. Het gecalcineerde koolstofproduct heeft een hoge mechanische sterkte, een lage elektrische weerstand, een goede thermische stabiliteit en een goede chemische stabiliteit.
Calcinatie is een van de belangrijkste processen bij de productie van koolstofproducten en vormt tevens een belangrijk onderdeel van de drie belangrijkste warmtebehandelingsprocessen bij de productie van grafietelektroden. De calcinatiecyclus is lang (22-30 dagen voor het bakken, 5-20 dagen voor twee bakprocessen in ovens) en kent een hoog energieverbruik. De kwaliteit van het groene roosterproces heeft invloed op de kwaliteit van het eindproduct en de productiekosten.
De groene steenkool in het groene blok wordt tijdens het roosterproces verkoold, waarbij ongeveer 10% van de vluchtige stoffen vrijkomt. Het volume neemt met 2-3% af en het massaverlies bedraagt 8-10%. De fysische en chemische eigenschappen van de koolstofstaaf veranderen ook aanzienlijk. De porositeit daalt van 1,70 g/cm³ naar 1,60 g/cm³ en de soortelijke weerstand daalt van 10.000 μΩ·m naar 40-50 μΩ·m als gevolg van de toename van de porositeit. De mechanische sterkte van de gecalcineerde staaf is eveneens aanzienlijk verbeterd.
Het secundaire bakproces houdt in dat het gecalcineerde product wordt ondergedompeld en vervolgens opnieuw wordt gecalcineerd om de in de poriën van het gecalcineerde product aanwezige hars te carboniseren. Elektroden die een hogere bulkdichtheid vereisen (alle varianten behalve RP) en verbindingsstukken moeten tweemaal worden gebakken, en de verbindingsstukken ondergaan daarnaast een drie-onderdompelings-vier-bakproces of een twee-onderdompelings-drie-bakproces.
Hoofdoventype van de brander:
Continue bedrijf—ringoven (met deksel, zonder deksel), tunneloven
Intermitterende werking - omkeeroven, ondervloerbrander, doosbrander
Calcinatiecurve en maximale temperatuur:
Eenmalig roosteren—-320, 360, 422, 480 uur, 1250 °C
Secundair roosteren: 125, 240, 280 uur, 700-800 °C
Inspectie van gebakken producten: visuele inspectie, elektrische weerstand, volumieke massa, druksterkte, analyse van de interne structuur
Impregneren is een proces waarbij een koolstofmateriaal in een drukvat wordt geplaatst en de vloeibare impregneringspotentiaal onder bepaalde temperatuur- en drukcondities in de poriën van de productelektrode wordt gebracht. Het doel is om de porositeit van het product te verminderen, de bulkdichtheid en mechanische sterkte van het product te verhogen en de elektrische en thermische geleidbaarheid van het product te verbeteren.
Het impregneringsproces en de bijbehorende technische parameters zijn: roosteren van de bitumenstaaf – oppervlaktereiniging – voorverwarmen (260-380 °C, 6-10 uur) – vullen van de impregneertank – vacuüm trekken (8-9 kPa, 40-50 min) – injectie van bitumen (180-200 °C) – druk opbouwen (1,2-1,5 MPa, 3-4 uur) – terugvoeren naar asfalt – koelen (in of buiten de tank).
Inspectie van geïmpregneerde producten: impregneringsgewichtstoename G=(W2-W1)/W1×100%
Een dip met een gewichtstoename van ≥14%
Gewichtstoenamepercentage van secundair geïmpregneerd product ≥ 9%
Drie dipsauzen met een gewichtstoename van ≥ 5%
Grafitering verwijst naar een warmtebehandelingsproces bij hoge temperaturen waarbij een koolstofproduct in een beschermend medium in een elektrische oven met hoge temperatuur wordt verhit tot een temperatuur van 2300 °C of hoger, om een amorfe, gelaagde koolstofstructuur om te zetten in een driedimensionale, geordende grafietkristalstructuur.
Het doel en effect van grafitisatie:
1. Verbeter de geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid van het koolstofmateriaal (de soortelijke weerstand wordt met een factor 4-5 verlaagd en de thermische geleidbaarheid met een factor 10 verhoogd);
2. Verbetering van de thermische schokbestendigheid en chemische stabiliteit van het koolstofmateriaal (vermindering van de lineaire uitzettingscoëfficiënt met 50-80%);
3. om het koolstofmateriaal smerend en slijtvast te maken;
4. Verwijdert onzuiverheden uit de uitlaatgassen, waardoor de zuiverheid van het koolstofmateriaal verbetert (het asgehalte van het product wordt verlaagd van 0,5-0,8% tot ongeveer 0,3%).
De realisatie van het grafitisatieproces:
De grafitisatie van koolstofmateriaal vindt plaats bij een hoge temperatuur van 2300-3000 °C. Daarom kan dit in de industrie alleen worden gerealiseerd door elektrische verwarming. Dit houdt in dat de stroom rechtstreeks door het verhitte, gecalcineerde product loopt. Het gecalcineerde product wordt in de oven gebracht en door de elektrische stroom op een hoge temperatuur gebracht. De geleider is dus een object dat tot een hoge temperatuur wordt verhit.
Tot de ovens die momenteel veel gebruikt worden, behoren Acheson-grafietovens en interne warmtecascadeovens (LWG-ovens). De eerstgenoemde heeft een hoog vermogen, een groot temperatuurverschil en een hoog energieverbruik. De laatstgenoemde heeft een korte opwarmtijd, een laag energieverbruik, een uniforme elektrische weerstand en is niet geschikt voor inbouwdoeleinden.
De beheersing van het grafitisatieproces wordt geregeld door het meten van de elektrische vermogenscurve die geschikt is voor de temperatuurstijging. De voedingstijd bedraagt 50-80 uur voor de Acheson-oven en 9-15 uur voor de LWG-oven.
Het energieverbruik van grafitisatie is zeer hoog, doorgaans 3200-4800 kWh, en de proceskosten bedragen ongeveer 20-35% van de totale productiekosten.
Inspectie van gegrafiteerde producten: visuele inspectie, weerstandstest
Verspaning: Het doel van mechanische verspaning van koolstofgrafietmaterialen is om de vereiste afmetingen, vorm, precisie, enz. te bereiken door middel van snijden, zodat het elektrodelichaam en de verbindingen voldoen aan de gebruikseisen.
De verwerking van grafietelektroden is onderverdeeld in twee onafhankelijke verwerkingsprocessen: het elektrodelichaam en de verbinding.
De bewerking van het lichaam omvat drie stappen: boren en ruw vlak maken, buitencirkel en vlak vlak maken, en schroefdraad frezen. De bewerking van een conische verbinding kan worden onderverdeeld in 6 processen: snijden, vlak vlak maken, conisch vlak maken, schroefdraad frezen, boutboren en sleuven maken.
Aansluiting van elektrodeverbindingen: conische verbinding (drie gespen en één gesp), cilindrische verbinding, stootverbinding (mannelijke en vrouwelijke verbinding)
Controle van de bewerkingsnauwkeurigheid: afwijking van de schroefdraadconus, spoed van de schroefdraad, afwijking van de grote diameter van de verbinding (gat), coaxialiteit van de verbindingsgaten, verticaliteit van de verbindingsgaten, vlakheid van het elektrode-eindvlak, vierpuntsafwijking van de verbinding. Controle met speciale ring- en plaatmeters.
Inspectie van afgewerkte elektroden: nauwkeurigheid, gewicht, lengte, diameter, volumieke massa, soortelijke weerstand, tolerantie vóór montage, enz.
Geplaatst op: 31 oktober 2019