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.
Poniższy rysunek przedstawia proces produkcji elektrody grafitowej w przedsiębiorstwie węglowym.
Kalcynacja: Surowiec węglowy jest poddawany obróbce cieplnej w wysokiej temperaturze w celu usunięcia wilgoci i substancji lotnych, a proces produkcyjny odpowiadający poprawie pierwotnych właściwości gotowania nazywa się kalcynacją. Zasadniczo surowiec węglowy jest kalcynowany przy użyciu gazu i jego własnych substancji lotnych jako źródła ciepła, a maksymalna temperatura wynosi 1250-1350°C.
Kalcynacja powoduje głębokie zmiany w strukturze i właściwościach fizykochemicznych surowców węglowych, głównie poprzez poprawę gęstości, wytrzymałości mechanicznej i przewodności elektrycznej koksu, poprawę jego stabilności chemicznej i odporności na utlenianie, co stanowi podstawę dla późniejszego procesu.
Urządzenia do kalcynacji obejmują głównie kalcynator zbiornikowy, piec obrotowy i kalcynator elektryczny. Wskaźnik kontroli jakości kalcynacji to gęstość rzeczywista koksu naftowego nie mniejsza niż 2,07 g/cm³, rezystywność nie większa niż 550 μΩ⁻³, gęstość rzeczywista koksu igłowego nie mniejsza niż 2,12 g/cm³, a rezystywność nie większa niż 500 μΩ⁻³.
Rozdrabnianie surowców i składniki
Przed rozpoczęciem produkcji, luzem kalcynowany koks naftowy i koks igłowy muszą zostać rozdrobnione, zmielone i przesiane.
Średnie kruszenie zwykle przeprowadza się za pomocą urządzeń kruszących o średnicy ok. 50 mm, takich jak kruszarka szczękowa, kruszarka młotkowa, kruszarka walcowa i tym podobne, aby dodatkowo rozdrobnić materiał o wielkości 0,5–20 mm wymagany do produkcji porcji.
Mielenie to proces mielenia materiału węglowego na drobne cząstki proszku o średnicy 0,15 mm lub mniejszej i rozmiarze cząstek 0,075 mm lub mniejszym za pomocą młyna walcowo-pierścieniowego (młyna Raymonda), młyna kulowego lub podobnego urządzenia.
Przesiewanie to proces, w którym szeroki zakres materiałów po rozdrobnieniu jest dzielony na kilka zakresów wielkości cząstek, z wąskim zakresem wielkości, przez szereg sit o jednakowych otworach. Obecna produkcja elektrod zazwyczaj wymaga 4-5 granulek i 1-2 rodzajów proszku.
Składniki to procesy produkcyjne służące do obliczania, ważenia i koncentracji różnych kruszyw, proszków i spoiw zgodnie z wymaganiami receptury. Zasadność naukowa receptury i stabilność procesu dozowania należą do najważniejszych czynników wpływających na wskaźnik jakości i wydajność produktu.
Wzór musi określać 5 aspektów:
1Wybierz rodzaj surowca;
2 określić proporcje różnych rodzajów surowców;
3. określenie składu wielkości cząstek surowca stałego;
4 określić ilość spoiwa;
5 Określ rodzaj i ilość dodatków.
Ugniatanie: Mieszanie i określanie różnej wielkości cząstek granulek i proszków węglowych z określoną ilością spoiwa w określonej temperaturze, a następnie ugniatanie pasty plastycznej w procesie zwanym ugniataniem.
Proces wyrabiania: mieszanie na sucho (20-35 min) mieszanie na mokro (40-55 min)
Rola ugniatania:
1. Podczas mieszania na sucho różne surowce są równomiernie mieszane, a stałe materiały węglowe o różnych rozmiarach cząstek są równomiernie mieszane i wypełniane, aby poprawić zwartość mieszanki;
2. Po dodaniu smoły węglowej, suchy materiał i asfalt są równomiernie mieszane. Ciekły asfalt równomiernie pokrywa i zwilża powierzchnię granulek, tworząc warstwę wiążącą asfaltu, a wszystkie materiały łączą się ze sobą, tworząc jednorodną plastyczną masę. Ułatwia to formowanie;
3 części smoły węglowej wnikają w przestrzeń wewnętrzną materiału węglowego, dodatkowo zwiększając gęstość i spoistość pasty.
Formowanie: Formowanie materiału węglowego odnosi się do procesu plastycznego odkształcania ugniecionej pasty węglowej pod wpływem siły zewnętrznej wywieranej przez urządzenia formujące w celu ostatecznego uformowania surowego produktu o określonym kształcie, rozmiarze, gęstości i wytrzymałości.
Rodzaje form, urządzeń i wytwarzanych produktów:
Metoda formowania
Wyposażenie wspólne
główne produkty
Odlewanie
Prasa hydrauliczna pionowa
Węgiel elektryczny, grafit o drobnej strukturze i niskiej jakości
Ściśnięcie
Pozioma wytłaczarka hydrauliczna
Wytłaczarka ślimakowa
Elektroda grafitowa, elektroda kwadratowa
Formowanie wibracyjne
Maszyna do formowania wibracyjnego
Cegła węglowa aluminiowa, cegła węglowa wielkopiecowa
Prasowanie izostatyczne
Maszyna do formowania izostatycznego
Grafit izotropowy, grafit anizotropowy
Operacja ściskania
1. Materiał chłodzący: materiał chłodzący tarczowy, materiał chłodzący cylindryczny, materiał chłodzący mieszający i ugniatający itp.
Odprowadzić substancje lotne, obniżyć do odpowiedniej temperatury (90-120°C) w celu zwiększenia przyczepności, tak aby blokowość pasty była jednolita przez 20-30 min
2 Załadunek: podnoszenie prasy, przegroda — cięcie 2-3 razy — zagęszczanie 4-10 MPa
3. Ciśnienie wstępne: ciśnienie 20-25MPa, czas 3-5min, podczas odkurzania
4 wytłaczanie: dociśnij przegrodę —wytnij 5-15 MPa — do zlewu chłodzącego
Parametry techniczne wytłaczania: stopień sprężania, temperatura komory prasy i dyszy, temperatura chłodzenia, czas wstępnego obciążenia, ciśnienie wytłaczania, prędkość wytłaczania, temperatura wody chłodzącej
Inspekcja zielonego nadwozia: gęstość objętościowa, badanie wyglądu, analiza
Kalcynacja: Proces, w którym surowa bryła produktu węglowego jest napełniana w specjalnie zaprojektowanym piecu grzewczym pod osłoną wypełniacza, gdzie przeprowadzana jest obróbka cieplna w wysokiej temperaturze w celu zwęglenia smoły węglowej w surowej bryle. Koks bitumiczny powstały po zwęgleniu bitumu węglowego zestala kruszywo węglowe i cząstki proszku, a kalcynowany produkt węglowy charakteryzuje się wysoką wytrzymałością mechaniczną, niską rezystywnością elektryczną, dobrą stabilnością termiczną i chemiczną.
Kalcynacja jest jednym z głównych procesów w produkcji wyrobów węglowych, a także ważnym elementem trzech głównych procesów obróbki cieplnej w produkcji elektrod grafitowych. Cykl produkcyjny kalcynacji jest długi (22-30 dni w przypadku wypalania, 5-20 dni w przypadku pieców dwufunkcyjnych) i wiąże się z wyższym zużyciem energii. Jakość zielonego wypalania ma wpływ na jakość produktu końcowego i koszty produkcji.
Smoła węglowa w surowej bryle jest koksowana podczas procesu prażenia, co powoduje uwolnienie około 10% substancji lotnych, a objętość zwiększa się o 2-3% w wyniku skurczu, a ubytek masy wynosi 8-10%. Właściwości fizyczne i chemiczne wsadu węglowego również uległy znacznej zmianie. Porowatość zmniejszyła się z 1,70 g/cm³ do 1,60 g/cm³, a rezystywność spadła z 10000 μΩ·m do 40-50 μΩ·m ze względu na wzrost porowatości. Wytrzymałość mechaniczna kalcynowanego wsadu była również wysoka. Dla poprawy.
Wtórne wypalanie to proces, w którym kalcynowany produkt jest zanurzany, a następnie kalcynowany w celu zwęglenia smoły zanurzonej w porach kalcynowanego produktu. Elektrody wymagające wyższej gęstości nasypowej (wszystkie odmiany z wyjątkiem RP) oraz półfabrykaty złączy muszą być wypalane dwufazowo, a półfabrykaty złączy są również poddawane procesowi trzykrotnego wypalania z czterema kąpielami lub dwukrotnego wypalania z trzema kąpielami.
Główny typ pieca prażalniczego:
Praca ciągła — piec pierścieniowy (z pokrywą, bez pokrywy), piec tunelowy
Praca przerywana — piec odwrotny, piec podpodłogowy, piec komorowy
Krzywa kalcynacji i maksymalna temperatura:
Jednorazowe prażenie — 320, 360, 422, 480 godzin, 1250 °C
Prażenie wtórne — 125, 240, 280 godzin, 700–800 °C
Badanie wyrobów piekarniczych: badanie wyglądu, rezystywność elektryczna, gęstość nasypowa, wytrzymałość na ściskanie, analiza struktury wewnętrznej
Impregnacja to proces, w którym materiał węglowy umieszcza się w zbiorniku ciśnieniowym, a ciekły impregnat smołowy zanurza się w porach elektrody produktu w określonych warunkach temperatury i ciśnienia. Celem jest zmniejszenie porowatości produktu, zwiększenie gęstości nasypowej i wytrzymałości mechanicznej produktu oraz poprawa jego przewodności elektrycznej i cieplnej.
Proces impregnacji i związane z nim parametry techniczne to: prażenie wsadu – oczyszczanie powierzchni – podgrzewanie wstępne (260-380°C, 6-10 godzin) – ładowanie wanny impregnacyjnej – odkurzanie (8-9KPa, 40-50min) – wtrysk asfaltu (180-200°C) – dozowanie ciśnienia (1,2-1,5 MPa, 3-4 godziny) – powrót do asfaltu – chłodzenie (wewnątrz lub na zewnątrz wanny)
Kontrola wyrobów impregnowanych: wskaźnik przyrostu masy impregnowanej G=(W2-W1)/W1×100%
Jeden spadek wskaźnika przyrostu masy ciała ≥14%
Wskaźnik przyrostu masy produktu impregnowanego wtórnie ≥ 9%
Trzy produkty do maczania, wskaźnik przyrostu masy ciała ≥ 5%
Grafityzacja to proces obróbki cieplnej w wysokiej temperaturze, w którym produkt węglowy jest podgrzewany do temperatury 2300°C lub wyższej w ośrodku ochronnym w piecu elektrycznym o wysokiej temperaturze w celu przekształcenia amorficznej, warstwowej struktury węgla w trójwymiarową, uporządkowaną strukturę krystaliczną grafitu.
Cel i efekt grafityzacji:
1. poprawić przewodność i przewodnictwo cieplne materiału węglowego (rezystywność zmniejsza się 4-5 razy, a przewodność cieplna zwiększa się około 10 razy);
2. poprawić odporność na szok termiczny i stabilność chemiczną materiału węglowego (współczynnik rozszerzalności liniowej zmniejszony o 50-80%);
3. Aby zapewnić materiałowi węglowemu smarowność i odporność na ścieranie;
4. Zanieczyszczenia spalin poprawiają czystość materiału węglowego (zawartość popiołu w produkcie zmniejsza się z 0,5-0,8% do około 0,3%).
Realizacja procesu grafityzacji:
Grafityzacja materiału węglowego odbywa się w wysokiej temperaturze 2300-3000°C, dlatego w przemyśle może być realizowana wyłącznie poprzez ogrzewanie elektryczne. Oznacza to, że prąd przepływa bezpośrednio przez rozgrzany kalcynowany produkt, a kalcynowany produkt ładowany do pieca jest generowany przez prąd elektryczny o wysokiej temperaturze. Przewodnikiem jest ponownie obiekt nagrzany do wysokiej temperatury.
Do obecnie powszechnie stosowanych pieców należą piece grafityzacyjne Achesona oraz piece z wewnętrzną kaskadą cieplną (LWG). Pierwszy z nich charakteryzuje się dużą wydajnością, dużą różnicą temperatur i wysokim poborem mocy. Drugi charakteryzuje się krótkim czasem nagrzewania, niskim poborem mocy, równomierną rezystywnością elektryczną i nie nadaje się do montażu.
Kontrola procesu grafityzacji odbywa się poprzez pomiar krzywej mocy elektrycznej odpowiedniej do warunków wzrostu temperatury. Czas zasilania wynosi 50-80 godzin dla pieca Achesona i 9-15 godzin dla pieca LWG.
Proces grafityzacji charakteryzuje się bardzo dużym zużyciem energii, wynoszącym zazwyczaj 3200–4800 kWh, a koszty procesu stanowią około 20–35% całkowitych kosztów produkcji.
Kontrola wyrobów grafitowanych: badanie wyglądu, badanie rezystywności
Obróbka mechaniczna: Celem obróbki mechanicznej materiałów grafitowo-węglowych jest uzyskanie wymaganego rozmiaru, kształtu, precyzji itp. poprzez cięcie w celu wykonania korpusu elektrody i połączeń zgodnie z wymaganiami zastosowania.
Obróbka elektrod grafitowych dzieli się na dwa niezależne procesy: proces obróbki korpusu elektrody i procesu łączenia.
Obróbka korpusu obejmuje trzy etapy: rozwiercanie i zgrubne płaskie powierzchnie czołowe, obróbkę zewnętrzną okręgu i płaskiej powierzchni czołowej oraz frezowanie gwintu. Obróbkę złącza stożkowego można podzielić na 6 procesów: skrawanie, płaskie powierzchnie czołowe, obróbkę stożkową, frezowanie gwintu, wiercenie śrub i nacinanie.
Połączenie złączy elektrodowych: złącze stożkowe (trzy klamry i jedna klamra), złącze cylindryczne, złącze wypukłe (połączenie męskie i żeńskie)
Kontrola dokładności obróbki: odchyłka stożka gwintu, skok gwintu, odchyłka dużej średnicy połączenia (otworu), współosiowość otworu połączenia, pionowość otworu połączenia, płaskość powierzchni czołowej elektrody, odchyłka czteropunktowa połączenia. Sprawdzenie za pomocą specjalnych sprawdzianów pierścieniowych i płytkowych.
Kontrola gotowych elektrod: dokładność, waga, długość, średnica, gęstość nasypowa, rezystywność, tolerancja przed montażem itp.
Czas publikacji: 31.10.2019