Proces produkcji elektrod grafitowych

Surowiec i proces produkcji elektrody grafitowej

Elektroda grafitowa to odporny na wysoką temperaturę przewodzący materiał grafitowy, powstający w wyniku ugniatania ropy naftowej, koksu igłowego jako kruszywa i bitumu węglowego jako spoiwa. Procesy te obejmują ugniatanie, formowanie, prażenie, impregnację, grafityzację i obróbkę mechaniczną.

Elektroda grafitowa jest ważnym materiałem przewodzącym w wysokich temperaturach w procesie produkcji stali elektrycznej. Elektroda grafitowa służy do doprowadzania energii elektrycznej do pieca elektrycznego, a wysoka temperatura generowana przez łuk elektryczny między końcem elektrody a wsadem jest wykorzystywana jako źródło ciepła do topienia wsadu w procesie produkcji stali. Inne piece do wytopu rudy, w których wytapia się materiały takie jak fosfor żółty, krzem przemysłowy i materiały ścierne, również wykorzystują elektrody grafitowe jako materiały przewodzące. Doskonałe i wyjątkowe właściwości fizyczne i chemiczne elektrod grafitowych są również szeroko wykorzystywane w innych sektorach przemysłu.

Surowcami do produkcji elektrod grafitowych są koks naftowy, koks igiełkowy i pak węglowy.

Koks naftowy to łatwopalny produkt stały, otrzymywany w wyniku koksowania pozostałości węglowych i smoły naftowej. Ma czarną, porowatą barwę, głównym składnikiem jest węgiel, a zawartość popiołu jest bardzo niska, zazwyczaj poniżej 0,5%. Koks naftowy należy do klasy węgla łatwo grafityzowanego. Koks naftowy ma szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym i metalurgicznym. Jest głównym surowcem do produkcji sztucznych wyrobów grafitowych i produktów węglowych do produkcji aluminium elektrolitycznego.

Koks naftowy można podzielić na dwa rodzaje: koks surowy i koks kalcynowany, w zależności od temperatury obróbki cieplnej. Pierwszy z nich, koks naftowy otrzymywany metodą opóźnionego koksowania, zawiera dużą ilość substancji lotnych i charakteryzuje się niską wytrzymałością mechaniczną. Koks kalcynowany powstaje w wyniku kalcynacji koksu surowego. Większość rafinerii w Chinach produkuje wyłącznie koks, a proces kalcynacji odbywa się głównie w zakładach przeróbki węgla.

Koks naftowy można podzielić na koks o wysokiej zawartości siarki (powyżej 1,5%), koks o średniej zawartości siarki (zawierający 0,5–1,5%) oraz koks o niskiej zawartości siarki (poniżej 0,5%). Do produkcji elektrod grafitowych i innych sztucznych wyrobów grafitowych zazwyczaj stosuje się koks o niskiej zawartości siarki.

Koks igłowy to rodzaj wysokiej jakości koksu o wyraźnej włóknistej teksturze, bardzo niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej i łatwej grafityzacji. Po rozbiciu koks można go rozdzielić na cienkie paski w zależności od tekstury (współczynnik kształtu zazwyczaj przekracza 1,75). Anizotropową strukturę włóknistą można zaobserwować pod mikroskopem polaryzacyjnym i dlatego nazywa się go koksem igłowym.

Anizotropia właściwości fizyko-mechanicznych koksu igłowego jest bardzo oczywista. Charakteryzuje się on dobrą przewodnością elektryczną i cieplną równolegle do osi podłużnej cząstki, a współczynnik rozszerzalności cieplnej jest niski. Podczas formowania ekstruzyjnego, oś podłużna większości cząstek jest ułożona w kierunku wytłaczania. Dlatego koks igłowy jest kluczowym surowcem do produkcji elektrod grafitowych dużej lub bardzo dużej mocy. Wytworzona elektroda grafitowa charakteryzuje się niską rezystywnością, niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i dobrą odpornością na szok termiczny.

Koks igłowy dzieli się na koks igłowy na bazie oleju, produkowany z pozostałości ropy naftowej, oraz koks igłowy na bazie węgla, produkowany z rafinowanych surowców smoły węglowej.

Smoła węglowa jest jednym z głównych produktów głębokiego przetwarzania smoły węglowej. Jest to mieszanina różnych węglowodorów, czarna w wysokiej temperaturze, półstała lub stała w wysokiej temperaturze, bez ustalonej temperatury topnienia, zmiękczona po ogrzaniu, a następnie stopiona, o gęstości 1,25-1,35 g/cm3. Zgodnie z temperaturą mięknienia dzieli się ją na asfalt niskotemperaturowy, średniotemperaturowy i wysokotemperaturowy. Wydajność asfaltu średniotemperaturowego wynosi 54-56% smoły węglowej. Skład smoły węglowej jest niezwykle skomplikowany, co jest związane z właściwościami smoły węglowej i zawartością heteroatomów, a także zależy od systemu procesu koksowania i warunków przetwarzania smoły węglowej. Istnieje wiele wskaźników charakteryzujących pak smołowy, takich jak temperatura mięknienia bitumu, nierozpuszczalne w toluenie (TI), nierozpuszczalne w chinolinie (QI), wartości koksowania i reologia paku węglowego.

Smoła węglowa jest stosowana jako lepiszcze i impregnat w przemyśle węglowym, a jej właściwości mają ogromny wpływ na proces produkcji i jakość produktów węglowych. Asfalt wiążący zazwyczaj wykorzystuje asfalt średniotemperaturowy lub modyfikowany średniotemperaturowo, charakteryzujący się umiarkowaną temperaturą mięknienia, wysoką wartością koksowania i wysoką zawartością żywicy β. Środek impregnujący to asfalt średniotemperaturowy o niskiej temperaturze mięknienia, niskim wskaźniku QI i dobrych właściwościach reologicznych.