Elektroda grafitowa to odporny na wysoką temperaturę przewodzący materiał grafitowy, produkowany w procesie ugniatania ropy naftowej, przy użyciu 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 wysokiej temperaturze do produkcji stali elektrycznej. Elektroda grafitowa jest używana do wprowadzania energii elektrycznej do pieca elektrycznego, a wysoka temperatura generowana przez łuk między końcem elektrody a wsadem jest używana jako źródło ciepła do topienia wsadu do produkcji stali. Inne piece do wytopu rudy, które wytapiają materiały takie jak żółty fosfor, przemysłowy krzem i materiały ścierne, również wykorzystują elektrody grafitowe jako materiały przewodzące. Doskonałe i wyjątkowe właściwości fizyczne i chemiczne elektrod grafitowych są również szeroko stosowane w innych sektorach przemysłu.
Surowcami do produkcji elektrod grafitowych są koks naftowy, koks igiełkowy i pak węglowy.
Koks naftowy jest łatwopalnym produktem stałym otrzymywanym przez koksowanie pozostałości węgla i smoły naftowej. Ma czarny kolor i jest porowaty, 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 szeroki zakres zastosowań w przemyśle chemicznym i metalurgicznym. Jest głównym surowcem do produkcji sztucznych produktów grafitowych i produktów węglowych do elektrolitycznego aluminium.
Koks naftowy można podzielić na dwa typy: koks surowy i koks kalcynowany w zależności od temperatury obróbki cieplnej. Poprzedni koks naftowy uzyskany przez opóźnione koksowanie zawiera dużą ilość substancji lotnych, a jego wytrzymałość mechaniczna jest niska. Koks kalcynowany uzyskuje się przez kalcynację surowego koksu. Większość rafinerii w Chinach produkuje wyłącznie koks, a operacje kalcynacji są przeprowadzane głównie w zakładach węglowych.
Koks naftowy można podzielić na koks o wysokiej zawartości siarki (zawierający ponad 1,5% siarki), koks o średniej zawartości siarki (zawierający 0,5%-1,5% siarki) i koks o niskiej zawartości siarki (zawierający mniej niż 0,5% siarki). Produkcja elektrod grafitowych i innych sztucznych produktów grafitowych odbywa się zazwyczaj przy użyciu koksu o niskiej zawartości siarki.
Koks igłowy to rodzaj wysokiej jakości koksu o wyraźnej włóknistej teksturze, bardzo niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej i łatwej grafityzacji. Kiedy koks jest rozbity, można go rozdzielić na cienkie paski według tekstury (współczynnik kształtu jest zazwyczaj powyżej 1,75). Anizotropową strukturę włóknistą można zaobserwować pod mikroskopem polaryzacyjnym, dlatego też jest on nazywany koksem igłowym.
Anizotropia właściwości fizyko-mechanicznych koksu igłowego jest bardzo oczywista. Ma on dobrą przewodność elektryczną i cieplną równolegle do kierunku długiej osi cząstki, a współczynnik rozszerzalności cieplnej jest niski. Podczas formowania ekstruzyjnego, długa oś większości cząstek jest ułożona w kierunku wytłaczania. Dlatego koks igłowy jest kluczowym surowcem do produkcji elektrod grafitowych o dużej lub bardzo dużej mocy. Wytworzona elektroda grafitowa ma niską rezystywność, mały współczynnik rozszerzalności cieplnej i dobrą odporność na szok termiczny.
Koks igłowy dzieli się na koks igłowy na bazie oleju, produkowany z pozostałości naftowych, 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 podgrzaniu, 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 wiąże się z właściwościami smoły węglowej i zawartością heteroatomów, a także zależy od systemu procesu koksowania i warunków przetwarzania smoły węglowej. Istnieje wiele wskaźników charakteryzujących smołę węglową, takich jak temperatura mięknienia bitumu, nierozpuszczalne w toluenie (TI), nierozpuszczalne w chinolinie (QI), wartości koksowania i reologia smoły węglowej.
Smoła węglowa jest stosowana jako spoiwo i impregnat w przemyśle węglowym, a jej wydajność ma duży wpływ na proces produkcji i jakość produktów węglowych. Asfalt wiążący zazwyczaj wykorzystuje asfalt średniotemperaturowy lub modyfikowany średniotemperaturowo o umiarkowanej temperaturze mięknienia, wysokiej wartości koksowania i wysokiej żywicy β. Środek impregnujący to asfalt średniotemperaturowy o niskiej temperaturze mięknienia, niskim 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 w nim zawartych, a proces produkcyjny odpowiadający poprawie pierwotnej wydajności 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.
Sprzęt kalcynowany obejmuje głównie kalcynator zbiornikowy, piec obrotowy i kalcynator elektryczny. Wskaźnik kontroli jakości kalcynacji jest taki, że rzeczywista gęstość koksu naftowego nie jest mniejsza niż 2,07 g/cm3, rezystywność nie jest większa niż 550 μΩ.m, rzeczywista gęstość koksu igłowego nie jest mniejsza niż 2,12 g/cm3, a rezystywność nie jest większa niż 500 μΩ.m.
Rozdrabnianie surowców i składniki
Przed rozpoczęciem produkcji, luzem kalcynowany koks naftowy i koks igłowy muszą zostać pokruszone, zmielone i przesiane.
Średnie kruszenie odbywa się zwykle przy użyciu sprzętu kruszącego o średnicy ok. 50 mm, poprzez kruszarkę szczękową, kruszarkę młotkową, kruszarkę walcową i tym podobne, aby dalej kruszyć materiał o wielkości 0,5–20 mm wymagany do produkcji porcjowej.
Mielenie to proces mielenia materiału węglowego na małe cząstki proszku o średnicy 0,15 mm lub mniejszej i wielkości cząstek 0,075 mm lub mniejszej za pomocą pierścieniowego młyna walcowego (młyna Raymonda), młyna kulowego lub podobnego urządzenia.
Przesiewanie to proces, w którym szeroki zakres materiałów po kruszeniu jest dzielony na kilka zakresów wielkości cząstek o wąskim zakresie rozmiarów przez szereg sit o jednolitych otworach. Obecna produkcja elektrod zwykle wymaga 4-5 peletów i 1-2 gatunków proszku.
Składniki to procesy produkcyjne służące do obliczania, ważenia i skupiania różnych agregatów kruszyw i proszków oraz spoiw zgodnie z wymaganiami formuły. Przydatność naukowa formuły i stabilność operacji 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 w celu poprawy zwartości 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 są ze sobą połączone, tworząc jednorodną plastyczną maź. Sprzyja formowaniu;
3 części smoły węglowej wnikają do przestrzeni wewnętrznej 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 korpusu (lub produktu surowego) 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
Ekstruder hydrauliczny poziomy
Ekstruder ślimakowy
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 Ładowanie: podnośnik prasy —– cięcie 2-3 razy — zagęszczanie 4-10 MPa
3 wstępne ciśnienie: ciśnienie 20-25MPa, czas 3-5min, podczas odkurzania
4 wytłaczanie: wciśnij przegrodę —wytłaczanie 5-15MPa — wytnij — do chłodzącego zlewu
Parametry techniczne wytłaczania: stopień sprężania, temperatura komory prasy i dyszy, temperatura chłodzenia, czas wstępnego obciążenia, ciśnienie wytłaczania, prędkość wytłaczania, temperatura wody chłodzącej
Inspekcja zielonego ciała: gęstość objętościowa, badanie wyglądu, analiza
Kalcynacja: Jest to proces, w którym zielone ciało produktu węglowego jest napełniane w specjalnie zaprojektowanym piecu grzewczym pod ochroną wypełniacza, aby wykonać obróbkę cieplną w wysokiej temperaturze w celu zwęglenia smoły węglowej w zielonym ciele. Koks bitumiczny utworzony po zwęgleniu bitumu węglowego zestala agregat węglowy i cząstki proszku, a kalcynowany produkt węglowy ma wysoką wytrzymałość mechaniczną, niską rezystywność elektryczną, dobrą stabilność termiczną i stabilność chemiczną. .
Kalcynacja jest jednym z głównych procesów w produkcji produktów węglowych i jest również ważną częścią trzech głównych procesów obróbki cieplnej produkcji elektrod grafitowych. Cykl produkcyjny kalcynacji jest długi (22-30 dni na wypalanie, 5-20 dni na piece na 2 wypalanie) i wyższe zużycie energii. Jakość zielonego prażenia ma wpływ na jakość gotowego produktu i koszt produkcji.
Zielona smoła węglowa w zielonym korpusie jest koksowana podczas procesu prażenia, a około 10% substancji lotnych jest uwalniane, a objętość jest wytwarzana przez 2-3% skurczu, a utrata 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 zmniejszyła się z 10000 μΩ·m do 40-50 μΩ·m ze względu na wzrost porowatości. Wytrzymałość mechaniczna kalcynowanego wsadu była również duża. W celu poprawy.
Wtórne pieczenie to proces, w którym kalcynowany produkt jest zanurzany, a następnie kalcynowany w celu zwęglenia smoły zanurzonej w porach kalcynowanego produktu. Elektrody wymagające wyższej gęstości objętościowej (wszystkie odmiany z wyjątkiem RP) i półfabrykaty połączeń muszą być wypalane dwukrotnie, a półfabrykaty połączeń są również poddawane procesowi trzykrotnego pieczenia czterokrotnego lub dwukrotnego pieczenia trzykrotnego.
Główny typ pieca palarni:
Praca ciągła — piec pierścieniowy (z pokrywą, bez pokrywy), piec tunelowy
Praca przerywana — piec odwrotny, piec podpodłogowy, piec komorowy
Krzywa kalcynacji i maksymalna temperatura:
Jednorazowe palenie — 320, 360, 422, 480 godzin, 1250 °C
Wtórne prażenie — 125, 240, 280 godzin, 700-800 °C
Badanie wyrobów piekarniczych: badanie wyglądu, rezystywność elektryczna, gęstość objętościowa, wytrzymałość na ściskanie, analiza struktury wewnętrznej
Impregnacja to proces, w którym materiał węglowy umieszcza się w naczyniu ciśnieniowym, a płynny 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 przewodności elektrycznej i cieplnej produktu.
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) – doprężanie (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%
Jednokrotny spadek wskaźnika przyrostu masy ciała ≥14%
Wskaźnik przyrostu masy wtórnie impregnowanego produktu ≥ 9%
Trzy produkty do zanurzania, 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 wysokotemperaturowym piecu elektrycznym 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, więc w przemyśle może być realizowana tylko przez ogrzewanie elektryczne, tzn. prąd przepływa bezpośrednio przez ogrzany kalcynowany produkt, a kalcynowany produkt ładowany do pieca jest generowany przez prąd elektryczny w wysokiej temperaturze. Przewodnik jest ponownie obiektem, który jest podgrzewany do wysokiej temperatury.
Piece obecnie powszechnie stosowane obejmują piece grafityzacyjne Achesona i piece z wewnętrzną kaskadą cieplną (LWG). Pierwszy z nich ma dużą moc wyjściową, dużą różnicę temperatur i wysokie zużycie energii. Drugi ma krótki czas nagrzewania, niskie zużycie energii, równomierną oporność elektryczną i nie nadaje się do montażu.
Kontrola procesu grafityzacji odbywa się poprzez pomiar krzywej mocy elektrycznej, która jest odpowiednia dla warunków wzrostu temperatury. Czas zasilania wynosi 50-80 godzin dla pieca Acheson 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.
Badanie 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 użytkowania.
Obróbka elektrod grafitowych dzieli się na dwa niezależne procesy: korpus elektrody i złącze.
Obróbka korpusu obejmuje trzy etapy: rozwiercanie i szorstką płaską powierzchnię czołową, zewnętrzny okrąg i płaską powierzchnię czołową oraz frezowanie gwintu. Obróbka połączenia stożkowego może być podzielona na 6 procesów: cięcie, płaska powierzchnia czołowa, powierzchnia stożka samochodowego, frezowanie gwintu, wiercenie śruby i nacinanie.
Połączenie złączy elektrodowych: złącze stożkowe (trzy klamry i jedna klamra), złącze cylindryczne, złącze wypukłe (złącze męskie i żeńskie)
Kontrola dokładności obróbki: odchylenie stożka gwintu, skok gwintu, odchylenie dużej średnicy połączenia (otworu), współosiowość otworu połączenia, pionowość otworu połączenia, płaskość powierzchni czołowej elektrody, odchylenie czterech punktów połączenia. Sprawdź za pomocą specjalnych pierścieni pomiarowych i płyt pomiarowych.
Kontrola gotowych elektrod: dokładność, waga, długość, średnica, gęstość nasypowa, rezystywność, tolerancja przed montażem itp.
Czas publikacji: 31-10-2019