O eletrodo de grafite é um material condutor de grafite resistente a altas temperaturas, produzido a partir de mistura de petróleo, coque de agulha como agregado e betume de carvão como aglomerante, sendo obtido por meio de uma série de processos como mistura, moldagem, calcinação, impregnação, grafitização e processamento mecânico.
O eletrodo de grafite é um importante material condutor de alta temperatura para a siderurgia elétrica. Ele é utilizado para fornecer energia elétrica ao forno elétrico, e a alta temperatura gerada pelo arco entre a extremidade do eletrodo e a carga é usada como fonte de calor para fundir a carga e produzir aço. Outros fornos de minério que fundem materiais como fósforo amarelo, silício industrial e abrasivos também utilizam eletrodos de grafite como materiais condutores. As excelentes e especiais propriedades físico-químicas dos eletrodos de grafite também são amplamente utilizadas em outros setores industriais.
As matérias-primas para a produção de eletrodos de grafite são coque de petróleo, coque de agulha e piche de alcatrão de carvão.
O coque de petróleo é um produto sólido inflamável obtido pela coqueificação de resíduos de carvão e piche de petróleo. É de cor preta e poroso, seu principal elemento é o carbono e o teor de cinzas é muito baixo, geralmente inferior a 0,5%. O coque de petróleo pertence à classe dos carbonos facilmente grafitizáveis. Possui uma ampla gama de aplicações nas indústrias química e metalúrgica. É a principal matéria-prima para a produção de grafite artificial e produtos de carbono para a eletrolítica do alumínio.
O coque de petróleo pode ser dividido em dois tipos: coque bruto e coque calcinado, de acordo com a temperatura de tratamento térmico. O coque bruto, obtido por coqueamento retardado, contém uma grande quantidade de voláteis e apresenta baixa resistência mecânica. O coque calcinado é obtido pela calcinação do coque bruto. A maioria das refinarias na China produz apenas coque, e as operações de calcinação são realizadas principalmente em usinas de carbonização.
O coque de petróleo pode ser dividido em coque de alto teor de enxofre (contendo mais de 1,5% de enxofre), coque de médio teor de enxofre (contendo de 0,5% a 1,5% de enxofre) e coque de baixo teor de enxofre (contendo menos de 0,5% de enxofre). A produção de eletrodos de grafite e outros produtos de grafite artificial é geralmente realizada utilizando coque de baixo teor de enxofre.
O coque em agulha é um tipo de coque de alta qualidade com textura fibrosa evidente, coeficiente de expansão térmica muito baixo e fácil grafitização. Quando o coque é quebrado, ele pode ser dividido em tiras finas de acordo com a textura (a relação de aspecto geralmente é superior a 1,75). Uma estrutura fibrosa anisotrópica pode ser observada sob um microscópio de polarização, sendo por isso denominado coque em agulha.
A anisotropia das propriedades físico-mecânicas do coque acicular é muito evidente. Ele apresenta boa condutividade elétrica e térmica paralela à direção do eixo longitudinal da partícula, e o coeficiente de expansão térmica é baixo. Durante a moldagem por extrusão, o eixo longitudinal da maioria das partículas se alinha na direção da extrusão. Portanto, o coque acicular é a principal matéria-prima para a fabricação de eletrodos de grafite de alta ou ultra-alta potência. O eletrodo de grafite produzido apresenta baixa resistividade, pequeno coeficiente de expansão térmica e boa resistência ao choque térmico.
O coque de agulha divide-se em coque de agulha à base de óleo, produzido a partir de resíduos de petróleo, e coque de agulha à base de carvão, produzido a partir de matérias-primas de piche de carvão refinado.
O alcatrão de hulha é um dos principais produtos do processamento profundo do alcatrão de hulha. É uma mistura de vários hidrocarbonetos, de coloração preta em altas temperaturas, semi-sólido ou sólido em altas temperaturas, sem ponto de fusão definido, amolecido após o aquecimento e, em seguida, fundido, com densidade de 1,25-1,35 g/cm³. De acordo com seu ponto de amolecimento, é classificado em asfalto de baixa, média e alta temperatura. O rendimento do asfalto de média temperatura é de 54-56% do alcatrão de hulha. A composição do alcatrão de hulha é extremamente complexa, estando relacionada às propriedades do alcatrão e ao teor de heteroátomos, e também é influenciada pelo sistema de coqueificação e pelas condições de processamento do alcatrão de hulha. Existem muitos indicadores para caracterizar o alcatrão de hulha, como o ponto de amolecimento do betume, os insolúveis em tolueno (TI), os insolúveis em quinolina (QI), os índices de coqueificação e a reologia do alcatrão de hulha.
O alcatrão de hulha é utilizado como ligante e impregnante na indústria de carbono, e seu desempenho tem grande impacto no processo de produção e na qualidade dos produtos de carbono. O asfalto ligante geralmente utiliza um asfalto de temperatura média ou modificado de temperatura média, com ponto de amolecimento moderado, alto valor de coqueificação e alto teor de resina β. O agente impregnante é um asfalto de temperatura média com baixo ponto de amolecimento, baixo índice de qualidade (QI) e boas propriedades reológicas.
A imagem a seguir mostra o processo de produção de eletrodos de grafite em uma empresa de carbono.
Calcinação: A matéria-prima carbonácea é tratada termicamente a alta temperatura para eliminar a umidade e os compostos voláteis nela contidos. O processo de produção que resulta na melhoria do desempenho culinário original é denominado calcinação. Geralmente, a matéria-prima carbonácea é calcinada utilizando-se gás e seus próprios compostos voláteis como fonte de calor, e a temperatura máxima varia entre 1250 e 1350 °C.
A calcinação provoca mudanças profundas na estrutura e nas propriedades físico-químicas das matérias-primas carbonáceas, principalmente na melhoria da densidade, resistência mecânica e condutividade elétrica do coque, bem como na melhoria da estabilidade química e da resistência à oxidação do coque, estabelecendo as bases para o processo subsequente.
Os equipamentos de calcinação incluem principalmente calcinadores de tanque, fornos rotativos e calcinadores elétricos. O índice de controle de qualidade da calcinação é que a densidade real do coque de petróleo não seja inferior a 2,07 g/cm³ e a resistividade não seja superior a 550 μΩ.m; para o coque de agulha, a densidade real não seja inferior a 2,12 g/cm³ e a resistividade não seja superior a 500 μΩ.m.
Trituração de matéria-prima e ingredientes
Antes do processo de mistura, o coque de petróleo calcinado a granel e o coque de agulha devem ser triturados, moídos e peneirados.
A britagem intermediária geralmente é realizada por equipamentos de britagem de cerca de 50 mm, como britadores de mandíbulas, britadores de martelo, britadores de rolos e similares, para britar ainda mais o material com tamanho entre 0,5 e 20 mm, necessário para o processamento.
A moagem é um processo de trituração de um material carbonáceo até se transformar em um pó fino com partículas de 0,15 mm ou menos e um tamanho de partícula de 0,075 mm ou menos, por meio de um moinho de rolos de suspensão (moinho Raymond), um moinho de bolas ou similar.
A peneiração é um processo no qual uma ampla gama de materiais, após a trituração, é separada em diversas faixas de tamanho de partículas, com uma faixa estreita de tamanhos, através de uma série de peneiras com aberturas uniformes. A produção atual de eletrodos geralmente requer de 4 a 5 granulometrias de grânulos e de 1 a 2 granulometrias de pó.
Os ingredientes referem-se aos processos de produção que envolvem o cálculo, a pesagem e a concentração dos diversos agregados, pós e ligantes, de acordo com os requisitos da formulação. A adequação científica da formulação e a estabilidade da operação de dosagem estão entre os fatores mais importantes que afetam o índice de qualidade e o desempenho do produto.
A fórmula precisa determinar 5 aspectos:
1. Selecione o tipo de matéria-prima;
2. Determinar a proporção de diferentes tipos de matérias-primas;
3. Determinar a composição do tamanho das partículas da matéria-prima sólida;
4. Determine a quantidade de aglutinante;
5. Determine o tipo e a quantidade de aditivos.
Amassamento: Mistura e quantificação de grânulos e pós carbonáceos de vários tamanhos de partículas com uma certa quantidade de aglutinante a uma determinada temperatura, e amassamento da pasta plástica em um processo chamado amassamento.
Processo de amassamento: mistura a seco (20-35 min) mistura a úmido (40-55 min)
O papel da amassagem:
1. Ao misturar a seco, as diversas matérias-primas são misturadas uniformemente, e os materiais carbonáceos sólidos de diferentes tamanhos de partículas são misturados e preenchidos uniformemente para melhorar a compactação da mistura;
2. Após a adição do piche de alcatrão de hulha, o material seco e o asfalto são misturados uniformemente. O asfalto líquido reveste e umedece uniformemente a superfície dos grânulos, formando uma camada de ligação asfáltica, e todos os materiais são unidos entre si, formando uma pasta plástica homogênea. Isso facilita a moldagem.
Três partes de piche de alcatrão de carvão penetram no espaço interno do material carbonáceo, aumentando ainda mais a densidade e a coesão da pasta.
Moldagem: A moldagem de material de carbono refere-se ao processo de deformação plástica da pasta de carbono amassada sob a força externa aplicada pelo equipamento de moldagem para finalmente formar um corpo verde (ou produto bruto) com determinada forma, tamanho, densidade e resistência.
Tipos de moldagem, equipamentos e produtos fabricados:
Método de moldagem
Equipamentos comuns
principais produtos
Moldagem
Prensa hidráulica vertical
Carbono elétrico, grafite de estrutura fina de baixa qualidade
Espremer
Extrusora hidráulica horizontal
extrusora de parafuso
Eletrodo de grafite, eletrodo quadrado
Moldagem por vibração
Máquina de moldagem por vibração
Tijolo de alumínio-carbono, tijolo de carbono para alto-forno
prensagem isostática
Máquina de moldagem isostática
Grafite isotrópico, grafite anisotrópico
Operação de compressão
1. Material refrigerante: material refrigerante para discos, material refrigerante para cilindros, materiais refrigerantes para mistura e amassamento, etc.
Descarregue os voláteis, reduza a temperatura para um nível adequado (90-120 °C) para aumentar a adesão, de modo que a consistência da pasta fique uniforme por 20-30 minutos.
2. Carregamento: defletor de elevação da prensa —– 2 a 3 cortes — compactação de 4 a 10 MPa
3. Pré-pressurização: pressão de 20-25 MPa, tempo de 3-5 minutos, durante a aplicação de vácuo.
4. Extrusão: pressione o defletor — extrusão de 5 a 15 MPa — corte — no dissipador de calor.
Parâmetros técnicos de extrusão: taxa de compressão, temperatura da câmara de prensagem e do bico, temperatura de resfriamento, tempo de pré-carga, pressão de extrusão, velocidade de extrusão, temperatura da água de resfriamento.
Inspeção de corpos verdes: densidade aparente, aparência por percussão, análise.
Calcinação: É um processo no qual o material carbonáceo cru é colocado em um forno de aquecimento especialmente projetado, sob a proteção de um dispositivo de enchimento, para realizar um tratamento térmico em alta temperatura que carboniza o betume de carvão presente no material cru. O coque betuminoso formado após a carbonização do betume de carvão solidifica o agregado carbonáceo e as partículas em pó, resultando em um produto carbonáceo calcinado com alta resistência mecânica, baixa resistividade elétrica, boa estabilidade térmica e química.
A calcinação é um dos principais processos na produção de produtos de carbono, sendo também uma parte importante dos três principais processos de tratamento térmico na produção de eletrodos de grafite. O ciclo de produção por calcinação é longo (22 a 30 dias para a primeira calcinação, 5 a 20 dias para a segunda calcinação em fornos) e consome muita energia. A qualidade da calcinação a verde impacta diretamente a qualidade do produto final e o custo de produção.
O piche de carvão verde no corpo verde é coqueificado durante o processo de calcinação, com cerca de 10% da matéria volátil sendo liberada, resultando em uma redução de volume de 2 a 3% e uma perda de massa de 8 a 10%. As propriedades físico-químicas do tarugo de carbono também sofreram alterações significativas. A porosidade diminuiu de 1,70 g/cm³ para 1,60 g/cm³ e a resistividade caiu de 10.000 μΩ·m para 40-50 μΩ·m devido ao aumento da porosidade. A resistência mecânica do tarugo calcinado também apresentou um aumento considerável.
A segunda etapa de calcinação consiste na imersão do produto calcinado em um substrato e posterior calcinação para carbonizar o piche presente nos poros do produto calcinado. Eletrodos que requerem maior densidade aparente (todas as variedades, exceto RP) e peças de junção devem ser submetidos a uma segunda etapa de calcinação, sendo que as peças de junção também podem ser submetidas a três imersões e quatro etapas de calcinação ou duas imersões e três etapas de calcinação.
Tipo principal de forno de torrefação:
Operação contínua — forno anelar (com tampa, sem tampa), forno túnel
Operação intermitente — forno reverso, torrefador de piso, torrefador tipo caixa
Curva de calcinação e temperatura máxima:
Torrefação única — 320, 360, 422, 480 horas, 1250 °C
Torrefação secundária — 125, 240, 280 horas, 700-800 °C
Inspeção de produtos assados: aparência por batida, resistividade elétrica, densidade aparente, resistência à compressão, análise da estrutura interna.
A impregnação é um processo no qual um material de carbono é colocado em um recipiente pressurizado e o piche líquido impregnante é imerso nos poros do eletrodo do produto sob determinadas condições de temperatura e pressão. O objetivo é reduzir a porosidade do produto, aumentar a densidade aparente e a resistência mecânica do produto, além de melhorar a condutividade elétrica e térmica do mesmo.
O processo de impregnação e os parâmetros técnicos relacionados são: calcinação do tarugo – limpeza da superfície – pré-aquecimento (260-380 °C, 6-10 horas) – carregamento do tanque de impregnação – vácuo (8-9 kPa, 40-50 min) – injeção de betume (180-200 °C) – pressurização (1,2-1,5 MPa, 3-4 horas) – retorno ao asfalto – resfriamento (dentro ou fora do tanque).
Inspeção de produtos impregnados: taxa de ganho de peso da impregnação G=(W2-W1)/W1×100%
Uma taxa de ganho de peso com queda de peso ≥14%
Taxa de ganho de peso do produto secundariamente impregnado ≥ 9%
Taxa de ganho de peso de três produtos de imersão ≥ 5%
A grafitização refere-se a um processo de tratamento térmico em alta temperatura no qual um produto de carbono é aquecido a uma temperatura de 2300 °C ou mais em um meio protetor dentro de um forno elétrico de alta temperatura para converter um carbono com estrutura amorfa em camadas em uma estrutura cristalina de grafite tridimensional ordenada.
Objetivo e efeito da grafitização:
1. Melhorar a condutividade e a condutividade térmica do material de carbono (a resistividade é reduzida em 4 a 5 vezes e a condutividade térmica é aumentada em cerca de 10 vezes);
2. Melhorar a resistência ao choque térmico e a estabilidade química do material de carbono (coeficiente de expansão linear reduzido em 50-80%);
3. Para conferir ao material de carbono lubricidade e resistência à abrasão;
4. Eliminação de impurezas dos gases de escape, melhorando a pureza do material de carbono (o teor de cinzas do produto é reduzido de 0,5-0,8% para cerca de 0,3%).
A realização do processo de grafitização:
A grafitização de materiais de carbono é realizada a altas temperaturas, entre 2300 e 3000 °C, sendo, portanto, viável na indústria apenas por aquecimento elétrico. Nesse processo, a corrente elétrica passa diretamente pelo produto calcinado aquecido, e o material calcinado, carregado no forno, é aquecido a altas temperaturas pela corrente elétrica.
Os fornos atualmente mais utilizados incluem os fornos de grafitização Acheson e os fornos de cascata térmica interna (LWG). Os primeiros apresentam alta capacidade de produção, grande diferença de temperatura e alto consumo de energia. Os últimos possuem tempo de aquecimento curto, baixo consumo de energia, resistividade elétrica uniforme e não são adequados para instalação.
O controle do processo de grafitização é feito através da medição da curva de potência elétrica adequada à condição de aumento de temperatura. O tempo de fornecimento de energia é de 50 a 80 horas para o forno Acheson e de 9 a 15 horas para o forno LWG.
O consumo de energia na grafitização é muito elevado, geralmente entre 3200 e 4800 kWh, e o custo do processo representa cerca de 20 a 35% do custo total de produção.
Inspeção de produtos grafitizados: inspeção visual por batida, teste de resistividade
Usinagem: O objetivo da usinagem mecânica de materiais de grafite de carbono é obter o tamanho, a forma, a precisão, etc., necessários, por meio do corte, para fabricar o corpo do eletrodo e as juntas de acordo com os requisitos de uso.
O processamento de eletrodos de grafite é dividido em dois processos independentes: corpo do eletrodo e junção.
O processamento do corpo inclui três etapas: furação e desbaste da face plana, faceamento externo e face plana, e fresagem da rosca. O processamento da junta cônica pode ser dividido em 6 processos: corte, faceamento da extremidade plana, faceamento do cone, fresagem da rosca, furação do parafuso e ranhuramento.
Conexão das juntas dos eletrodos: conexão de junta cônica (três pinos e um pino), conexão de junta cilíndrica, conexão de encaixe (conexão macho e fêmea).
Controle da precisão de usinagem: desvio do cone da rosca, passo da rosca, desvio do diâmetro da junta (furo), coaxialidade do furo da junta, verticalidade do furo da junta, planicidade da face da extremidade do eletrodo, desvio de quatro pontos da junta. Verificar com anéis e placas calibradoras especiais.
Inspeção de eletrodos acabados: precisão, peso, comprimento, diâmetro, densidade aparente, resistividade, tolerância de pré-montagem, etc.
Data da publicação: 31 de outubro de 2019