Grafittelektrode er et høytemperaturbestandig grafittledende materiale produsert ved petroleumselding, nålekoks som aggregat og kullbitumen som bindemiddel, som produseres gjennom en rekke prosesser som elting, støping, risting, impregnering, grafittisering og mekanisk bearbeiding.
Grafittelektroden er et viktig høytemperaturledende materiale for elektrisk stålproduksjon. Grafittelektroden brukes til å mate elektrisk energi inn i den elektriske ovnen, og den høye temperaturen som genereres av lysbuen mellom elektrodeenden og ladningen brukes som varmekilde for å smelte ladningen for stålproduksjon. Andre malmovner som smelter materialer som gult fosfor, industrielt silisium og slipemidler bruker også grafittelektroder som ledende materialer. De utmerkede og spesielle fysiske og kjemiske egenskapene til grafittelektroder er også mye brukt i andre industrisektorer.
Råmaterialene for produksjon av grafittelektroder er petroleumskoks, nålekoks og kulltjærebek.
Petroleumskoks er et brannfarlig fast produkt som oppnås ved koking av kullrester og petroleumsbek. Fargen er svart og porøs, hovedelementet er karbon, og askeinnholdet er svært lavt, vanligvis under 0,5 %. Petroleumskoks tilhører klassen av lett grafittiserbare karboner. Petroleumskoks har et bredt bruksområde innen kjemisk og metallurgisk industri. Det er det viktigste råmaterialet for produksjon av kunstige grafittprodukter og karbonprodukter for elektrolytisk aluminium.
Petroleumskoks kan deles inn i to typer: råkoks og kalsinert koks i henhold til varmebehandlingstemperaturen. Den tidligere petroleumskoksen som oppnås ved forsinket koksing inneholder en stor mengde flyktige stoffer, og den mekaniske styrken er lav. Kalsinert koks oppnås ved kalsinering av råkoks. De fleste raffinerier i Kina produserer kun koks, og kalsineringsoperasjonene utføres hovedsakelig i karbonanlegg.
Petroleumskoks kan deles inn i koks med høyt svovelinnhold (som inneholder mer enn 1,5 % svovel), koks med middels svovelinnhold (som inneholder 0,5–1,5 % svovel) og koks med lavt svovelinnhold (som inneholder mindre enn 0,5 % svovel). Produksjonen av grafittelektroder og andre kunstige grafittprodukter skjer vanligvis ved bruk av koks med lavt svovelinnhold.
Nålekoks er en type koks av høy kvalitet med tydelig fiberstruktur, svært lav termisk ekspansjonskoeffisient og enkel grafittisering. Når koksen er brutt, kan den deles i tynne strimler i henhold til tekstur (sideforholdet er vanligvis over 1,75). En anisotropisk fiberstruktur kan observeres under et polariserende mikroskop, og kalles derfor nålekoks.
Anisotropien i de fysisk-mekaniske egenskapene til nålekoks er svært tydelig. Den har god elektrisk og termisk ledningsevne parallelt med partikkelens lengdeakseretning, og den termiske utvidelseskoeffisienten er lav. Ved ekstruderingsstøping er lengdeaksen til de fleste partiklene anordnet i ekstruderingsretningen. Derfor er nålekoks det viktigste råmaterialet for produksjon av høyeffekts- eller ultrahøyeffektsgrafittelektroder. Den produserte grafittelektroden har lav resistivitet, liten termisk utvidelseskoeffisient og god termisk sjokkmotstand.
Nålekoks er delt inn i oljebasert nålekoks produsert fra petroleumsrester og kullbasert nålekoks produsert fra raffinerte kullbekråvarer.
Kulltjære er et av hovedproduktene fra kulltjæredypforedling. Det er en blanding av forskjellige hydrokarboner, svart ved høy temperatur, halvfast eller fast ved høy temperatur, uten fast smeltepunkt, myknet etter oppvarming og deretter smeltet, med en tetthet på 1,25–1,35 g/cm3. I henhold til mykningspunktet er det delt inn i lavtemperatur-, middelstemperatur- og høytemperaturasfalt. Utbyttet av middels temperaturasfalt er 54–56 % kulltjære. Sammensetningen av kulltjære er ekstremt komplisert, og er relatert til egenskapene til kulltjære og innholdet av heteroatomer, og påvirkes også av koksingssystemet og kulltjæreforedlingsforholdene. Det finnes mange indikatorer for å karakterisere kulltjærebek, som bitumenmykningspunkt, toluenuløselige stoffer (TI), kinolinuløselige stoffer (QI), koksingsverdier og kulltjærereologi.
Kulltjære brukes som bindemiddel og impregneringsmiddel i karbonindustrien, og ytelsen har stor innvirkning på produksjonsprosessen og produktkvaliteten til karbonprodukter. Bindemasfalten bruker vanligvis en modifisert asfalt med middels temperatur eller middels temperatur, med moderat mykningspunkt, høy koksverdi og høy β-harpiks. Impregneringsmidlet er en asfalt med middels temperatur, lavt mykningspunkt, lav kvalitetskontroll og gode reologiske egenskaper.
Følgende bilde viser produksjonsprosessen for grafittelektrode i karbonbedrifter.
Kalsinering: Det karbonholdige råmaterialet varmebehandles ved høy temperatur for å fjerne fuktighet og flyktige stoffer, og produksjonsprosessen som tilsvarer forbedringen av den opprinnelige kokeytelsen kalles kalsinering. Vanligvis kalsineres det karbonholdige råmaterialet ved å bruke gass og dets egne flyktige stoffer som varmekilde, og maksimumstemperaturen er 1250–1350 °C.
Kalsinering fører til betydelige endringer i strukturen og de fysisk-kjemiske egenskapene til karbonholdige råvarer, hovedsakelig ved å forbedre tettheten, mekanisk styrken og den elektriske ledningsevnen til koks, forbedre den kjemiske stabiliteten og oksidasjonsmotstanden til koks, og legge grunnlaget for den påfølgende prosessen.
Kalsinert utstyr omfatter hovedsakelig tankkalsinatorer, roterovner og elektriske kalsinatorer. Kvalitetskontrollindeksen for kalsinering er at den sanne tettheten til petroleumskoks ikke er mindre enn 2,07 g/cm3, resistiviteten ikke er mer enn 550 μΩ.m, den sanne tettheten til nålekoks ikke er mindre enn 2,12 g/cm3, og resistiviteten ikke er mer enn 500 μΩ.m.
Knusing av råvarer og ingredienser
Før blandningen må den kalsinerte petroleumskoksen og nålekoksen i bulk knuses, males og siktes.
Mediumknusing utføres vanligvis med knuseutstyr på omtrent 50 mm gjennom en kjeftknuser, en hammerknuser, en valseknuser og lignende for ytterligere å knuse materialet på 0,5–20 mm som kreves for blandingen.
Fresing er en prosess der man male et karbonholdig materiale til en pulveraktig liten partikkel på 0,15 mm eller mindre og en partikkelstørrelse på 0,075 mm eller mindre ved hjelp av en ringvalsemølle av suspensjonstypen (Raymond-mølle), en kulemølle eller lignende.
Sikting er en prosess der et bredt spekter av materialer etter knusing deles inn i flere partikkelstørrelsesområder med et smalt størrelsesområde gjennom en serie sikter med ensartede åpninger. Nåværende elektrodeproduksjon krever vanligvis 4–5 pellets og 1–2 pulverkvaliteter.
Ingredienser er produksjonsprosessene for å beregne, veie og fokusere de ulike aggregatene av tilslag, pulver og bindemidler i henhold til formuleringskravene. Formuleringens vitenskapelige egnethet og stabiliteten i batchoperasjonen er blant de viktigste faktorene som påvirker produktets kvalitetsindeks og ytelse.
Formelen må bestemme 5 aspekter:
1. Velg typen råmateriale;
2 bestemme andelen av ulike typer råvarer;
3 bestemmelse av partikkelstørrelsessammensetningen til det faste råmaterialet;
4 bestem mengden bindemiddel;
5 Bestem typen og mengden tilsetningsstoffer.
Elting: Blanding og kvantifisering av karbonholdige granuler og pulver med forskjellige partikkelstørrelser med en viss mengde bindemiddel ved en viss temperatur, og elting av plastisitetspastaen i en prosess som kalles elting.
Elteprosess: tørrblanding (20–35 min) våtblanding (40–55 min)
Eltingens rolle:
1 Ved tørrblanding blandes de forskjellige råmaterialene jevnt, og de faste karbonholdige materialene med forskjellige partikkelstørrelser blandes jevnt og fylles for å forbedre blandingens kompakthet;
2 Etter tilsetning av kulltjærebek blandes det tørre materialet og asfalten jevnt. Den flytende asfalten dekker og fukter overflaten av granulene jevnt for å danne et lag med asfaltbindingslag, og alle materialene bindes til hverandre for å danne en homogen plastisk utstrykning. Bidrar til støping;
3 deler kulltjære trenger inn i det indre rommet i det karbonholdige materialet, noe som ytterligere øker pastaens tetthet og kohesivitet.
Støping: Støping av karbonmateriale refererer til prosessen med plastisk deformering av den eltede karbonpastaen under ytre kraft som påføres av støpeutstyret for til slutt å danne et grønt legeme (eller råprodukt) med en viss form, størrelse, tetthet og styrke.
Typer støping, utstyr og produserte produkter:
Støpemetode
Felles utstyr
hovedprodukter
Støping
Vertikal hydraulisk presse
Elektrisk karbon, lavgradig finstrukturgrafitt
Klemme
Horisontal hydraulisk ekstruder
Skrueekstruder
Grafittelektrode, firkantet elektrode
Vibrasjonsstøping
Vibrasjonsstøpemaskin
Aluminium karbon murstein, masovn karbon murstein
Isostatisk pressing
Isostatisk støpemaskin
Isotropisk grafitt, anisotropisk grafitt
Klemoperasjon
1 kjølig materiale: skivekjølemateriale, sylinderkjølemateriale, blandings- og eltingskjølematerialer, etc.
Fjern de flyktige stoffene, reduser til en passende temperatur (90–120 °C) for å øke vedheften, slik at pastaens blokkering er jevn i 20–30 minutter.
2 Lasting: trykk på løftebjelken —– 2–3 ganger skjæring —– 4–10 MPa komprimering
3 fortrykk: trykk 20–25 MPa, tid 3–5 min, under støvsuging
4 ekstrudering: trykk ned ledeplaten — 5–15 MPa ekstrudering — kutt — inn i kjølevasken
Tekniske parametere for ekstrudering: kompresjonsforhold, pressekammer- og dysetemperatur, kjøletemperatur, forbelastningstid, ekstruderingstrykk, ekstruderingshastighet, kjølevannstemperatur
Grønn kroppsinspeksjon: bulktetthet, utseendetapping, analyse
Kalsinering: Det er en prosess der karbonproduktets grønne legeme fylles i en spesialdesignet varmeovn under beskyttelse av fyllstoffet for å utføre høytemperaturvarmebehandling for å karbonisere kullbek i grønnlegemet. Bitumenkoksen som dannes etter karboniseringen av kullbitumenet, størkner det karbonholdige aggregatet og pulverpartiklene sammen, og det kalsinerte karbonproduktet har høy mekanisk styrke, lav elektrisk resistivitet, god termisk stabilitet og kjemisk stabilitet.
Kalsinering er en av hovedprosessene i produksjonen av karbonprodukter, og er også en viktig del av de tre viktigste varmebehandlingsprosessene i produksjonen av grafittelektroder. Kalsineringssyklusen er lang (22–30 dager for baking, 5–20 dager for ovner for 2 baking), og har høyere energiforbruk. Kvaliteten på grønnbrenning påvirker kvaliteten på det ferdige produktet og produksjonskostnadene.
Grønnkullbeken i den grønne kroppen forkokses under brenneprosessen, og omtrent 10 % av det flyktige stoffet slippes ut, og volumet produseres ved 2–3 % krymping, og massetapet er 8–10 %. De fysiske og kjemiske egenskapene til karbonbarren endret seg også betydelig. Porøsiteten minket fra 1,70 g/cm3 til 1,60 g/cm3, og resistiviteten minket fra 10 000 μΩ·m til 40–50 μΩ·m på grunn av økningen i porøsitet. Den mekaniske styrken til den kalsinerte barren var også stor. For forbedring.
Sekundærbrenning er en prosess der det kalsinerte produktet senkes ned og deretter kalsineres for å karbonisere bek som er nedsenket i porene i det kalsinerte produktet. Elektroder som krever høyere bulktetthet (alle varianter unntatt RP) og skjøteemner må dobbeltbrennes, og skjøteemnene utsettes også for tre-dypping fire-brenning eller to-dypping tre-brenning.
Hovedovnstype for stekeovn:
Kontinuerlig drift – ringovn (med lokk, uten lokk), tunnelovn
Intermitterende drift – reversovn, undergulvsbrenner, boksbrenner
Kalsineringskurve og maksimal temperatur:
Engangssteking – 320, 360, 422, 480 timer, 1250 °C
Sekundærsteking – 125, 240, 280 timer, 700–800 °C
Inspeksjon av bakte produkter: utseende, tapping, elektrisk resistivitet, bulktetthet, trykkfasthet, analyse av indre struktur
Impregnering er en prosess der et karbonmateriale plasseres i en trykkbeholder, og den flytende impregneringsharpiksen senkes ned i porene i produktelektroden under visse temperatur- og trykkforhold. Formålet er å redusere produktets porøsitet, øke produktets bulktetthet og mekaniske styrke, og forbedre produktets elektriske og termiske ledningsevne.
Impregneringsprosessen og tilhørende tekniske parametere er: risting av barren – overflaterengjøring – forvarming (260–380 °C, 6–10 timer) – lasting av impregneringstanken – støvsuging (8–9 kPa, 40–50 min) – Injeksjon av bitumen (180–200 °C) – Trykksetting (1,2–1,5 MPa, 3–4 timer) – Retur til asfalt – Avkjøling (inne i eller utenfor tanken)
Inspeksjon av impregnerte produkter: vektøkningsrate ved impregnering G=(W2-W1)/W1×100%
En dyppende vektøkningsrate ≥14%
Sekundærimpregnert produktvektøkningsrate ≥ 9 %
Tre dyppeprodukter vektøkningsrate ≥ 5%
Grafittisering refererer til en høytemperaturvarmebehandlingsprosess der et karbonprodukt varmes opp til en temperatur på 2300 °C eller mer i et beskyttende medium i en høytemperatur elektrisk ovn for å omdanne en amorf lagdelt karbonstruktur til en tredimensjonal ordnet grafittkrystallstruktur.
Formålet med og effekten av grafitisering:
1. forbedre ledningsevnen og varmeledningsevnen til karbonmaterialet (resistiviteten reduseres med 4-5 ganger, og varmeledningsevnen økes med omtrent 10 ganger);
2 forbedrer karbonmaterialets termiske sjokkmotstand og kjemiske stabilitet (lineær ekspansjonskoeffisient redusert med 50–80 %);
3 for å gjøre karbonmaterialet smøre- og slitestyrke;
4. Eksosforurensninger, forbedrer renheten til karbonmaterialet (askeinnholdet i produktet reduseres fra 0,5–0,8 % til omtrent 0,3 %).
Realiseringen av grafittiseringsprosessen:
Grafittiseringen av karbonmateriale utføres ved en høy temperatur på 2300–3000 °C, så det kan bare realiseres ved elektrisk oppvarming i industrien, det vil si at strømmen passerer direkte gjennom det oppvarmede kalsinerte produktet, og det kalsinerte produktet som fylles i ovnen genereres av elektrisk strøm ved høy temperatur. Lederen er igjen et objekt som varmes opp til høy temperatur.
Blant de ovnene som er mye brukt i dag, er Acheson-grafittiseringsovner og interne varmekaskadeovner (LWG). Førstnevnte har stor effekt, stor temperaturforskjell og høyt strømforbruk. Sistnevnte har kort oppvarmingstid, lavt strømforbruk, jevn elektrisk resistivitet og er ikke egnet for montering.
Kontrollen av grafittiseringsprosessen styres ved å måle den elektriske effektkurven som er egnet for temperaturøkningsforholdene. Strømforsyningstiden er 50–80 timer for Acheson-ovnen og 9–15 timer for LWG-ovnen.
Strømforbruket til grafittisering er svært stort, vanligvis 3200–4800 kWh, og prosesskostnadene utgjør omtrent 20–35 % av de totale produksjonskostnadene.
Inspeksjon av grafittiserte produkter: utseende og resistivitetstest
Maskinering: Formålet med mekanisk maskinering av karbongrafittmaterialer er å oppnå ønsket størrelse, form, presisjon osv. ved å skjære for å lage elektrodekroppen og skjøtene i samsvar med brukskravene.
Grafitelektrodebehandling er delt inn i to uavhengige behandlingsprosesser: elektrodekropp og skjøt.
Kroppsbehandlingen inkluderer tre trinn med boring og grov flat endeflate, ytre sirkel og flat endeflate og fresing av gjenger. Behandlingen av koniske skjøter kan deles inn i seks prosesser: skjæring, flat endeflate, bilkonusflate, fresing av gjenger, boring av bolt og sporing.
Tilkobling av elektrodekoblinger: konisk kobling (tre spenner og én spenne), sylindrisk kobling, bumpkobling (hann- og hunnkobling)
Kontroll av maskineringsnøyaktighet: gjengekonusavvik, gjengestigning, avvik i skjøt (hull) med stor diameter, koaksialitet i skjøthull, vertikalitet i skjøthull, flathet i elektrodeendeflaten, firepunktsavvik i skjøt. Kontroller med spesielle ringmålere og platemålere.
Inspeksjon av ferdige elektroder: nøyaktighet, vekt, lengde, diameter, bulktetthet, resistivitet, toleranse før montering, osv.
Publisert: 31. oktober 2019