O eletrodo de grafite é um material condutor de grafite resistente a altas temperaturas produzido por mistura de petróleo, coque agulhado como agregado e betume de carvão como aglutinante, que são produzidos por meio de uma série de processos como amassamento, moldagem, torrefação, impregnação, grafitização e processamento mecânico.
O eletrodo de grafite é um importante material condutor de alta temperatura para a siderurgia elétrica. O eletrodo de grafite é usado 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 para a fabricação de 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 físicas e 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 hulha.
O coque de petróleo é um produto sólido inflamável obtido a partir da coqueificação de resíduos de carvão e piche de petróleo. Possui cor preta e porosidade, seu principal elemento é o carbono e seu teor de cinzas é muito baixo, geralmente abaixo de 0,5%. O coque de petróleo pertence à classe dos carbonos facilmente grafitáveis. O coque de petróleo possui ampla gama de aplicações nas indústrias química e metalúrgica. É a principal matéria-prima para a produção de produtos de grafite artificial e produtos de carbono para a produção de alumínio eletrolítico.
O coque de petróleo pode ser dividido em dois tipos: coque bruto e coque calcinado, de acordo com a temperatura do tratamento térmico. O coque de petróleo obtido por coque 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 carvão.
O coque de petróleo pode ser dividido em coque com alto teor de enxofre (contendo mais de 1,5% de enxofre), coque com médio teor de enxofre (contendo 0,5% a 1,5% de enxofre) e coque com baixo teor de enxofre (contendo menos de 0,5% de enxofre). A produção de eletrodos de grafite e outros produtos artificiais de grafite é geralmente realizada com coque com baixo teor de enxofre.
O coque em forma de 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 razão de aspecto geralmente é superior a 1,75). Uma estrutura fibrosa anisotrópica pode ser observada em um microscópio de polarização e, portanto, é chamada de coque em forma de agulha.
A anisotropia das propriedades físico-mecânicas do coque agulhado é bastante evidente. Ele apresenta boa condutividade elétrica e térmica paralela à direção do eixo longitudinal da partícula, e o coeficiente de expansão térmica é baixo. Na moldagem por extrusão, o eixo longitudinal da maioria das partículas é disposto na direção da extrusão. Portanto, o coque agulhado 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, baixo coeficiente de expansão térmica e boa resistência ao choque térmico.
O coque agulha é dividido em coque agulha à base de óleo, produzido a partir de resíduos de petróleo, e coque 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 de alcatrão de hulha. É uma mistura de vários hidrocarbonetos, pretos a alta temperatura, semissólidos ou sólidos a alta temperatura, sem ponto de fusão fixo, amolecidos após aquecimento e, em seguida, fundidos, com uma densidade de 1,25-1,35 g/cm3. De acordo com seu ponto de amolecimento, é dividido em asfalto de baixa temperatura, temperatura 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, o que está relacionado às propriedades do alcatrão de hulha e ao conteúdo de heteroátomos, e também é afetado pelo sistema de processo de coqueificação e pelas condições de processamento do alcatrão de hulha. Existem muitos indicadores para caracterizar o piche de alcatrão de hulha, como ponto de amolecimento do betume, insolúveis em tolueno (TI), insolúveis em quinolina (QI), valores de coqueificação e reologia do piche 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 alta resina β. O agente impregnante é um asfalto de temperatura média, com baixo ponto de amolecimento, baixo IQ e boas propriedades reológicas.
A imagem a seguir mostra o processo de produção de eletrodo de grafite em uma empresa de carbono.
Calcinação: A matéria-prima carbonácea é tratada termicamente em alta temperatura para eliminar a umidade e os materiais voláteis nela contidos, e o processo de produção correspondente à melhoria do desempenho original do cozimento é chamado de calcinação. Geralmente, a matéria-prima carbonácea é calcinada utilizando gás e seus próprios voláteis como fonte de calor, e a temperatura máxima é de 1250-1350 °C.
A calcinação causa 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, melhorando a estabilidade química e a resistência à oxidação do coque, estabelecendo uma base 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, a resistividade não seja superior a 550 μΩ.m, a densidade real do coque de agulha não seja inferior a 2,12 g/cm³ e a resistividade não seja superior a 500 μΩ.m.
Britagem de matéria-prima e ingredientes
Antes da dosagem, o coque de petróleo calcinado e o coque de agulha devem ser triturados, moídos e peneirados.
A britagem média é normalmente realizada por equipamentos de britagem de cerca de 50 mm por meio de um britador de mandíbula, um britador de martelo, um britador de rolo e similares para britar ainda mais o material de tamanho de 0,5-20 mm necessário para a dosagem.
Moagem é um processo de moagem de um material carbonáceo até uma pequena partícula pulverulenta de 0,15 mm ou menos e um tamanho de partícula de 0,075 mm ou menos por meio de um moinho de rolos circulares do tipo suspensão (moinho Raymond), um moinho de bolas ou similar.
A peneiração é um processo no qual uma ampla gama de materiais, após a britagem, é dividida em diversas faixas de tamanho de partículas, com uma faixa estreita de tamanhos, por meio de uma série de peneiras com aberturas uniformes. A produção atual de eletrodos geralmente requer de 4 a 5 pellets e de 1 a 2 tipos de pó.
Ingredientes são os processos de produção para calcular, pesar e concentrar os 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:
1Selecione o tipo de matéria-prima;
2 determinar a proporção dos diferentes tipos de matérias-primas;
3 determinar a composição granulométrica da matéria-prima sólida;
4 determinar a quantidade de ligante;
5 Determine o tipo e a quantidade de aditivos.
Amassamento: Misturar e quantificar grânulos e pós carbonosos de vários tamanhos de partículas com uma certa quantidade de aglutinante a uma determinada temperatura e amassar a pasta de plasticidade em um processo chamado amassamento.
Processo de amassamento: mistura seca (20-35 min) mistura úmida (40-55 min)
O papel da amassadura:
1 Ao misturar a seco, as várias 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 para formar uma camada plástica homogênea. Ideal para moldagem;
Três partes de piche de alcatrão de hulha penetram no espaço interno do material carbonáceo, aumentando ainda mais a densidade e a coesão da pasta.
Moldagem: A moldagem de material de carbono se refere 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 um determinado formato, tamanho, densidade e resistência. processo.
Tipos de moldagem, equipamentos e produtos produzidos:
Método de moldagem
Equipamento comum
principais produtos
Moldagem
Prensa hidráulica vertical
Carbono elétrico, grafite de estrutura fina de baixo grau
Espremer
Extrusora hidráulica horizontal
Extrusora de parafuso
Eletrodo de grafite, eletrodo quadrado
Moldagem por vibração
Máquina de moldagem por vibração
Tijolo de carbono de alumínio, tijolo de carbono de alto-forno
Pressão isostática
Máquina de moldagem isostática
Grafite isotrópico, grafite anisotrópico
Operação de compressão
1 material frio: material de resfriamento de disco, material de resfriamento de cilindro, materiais de resfriamento para mistura e amassamento, etc.
Descarregue os voláteis, reduza a uma temperatura adequada (90-120 ° C) para aumentar a adesão, de modo que a blocagem da pasta seja uniforme por 20-30 min
2 Carregamento: pressione o defletor de elevação —– 2-3 vezes de corte—-compactação de 4-10 MPa
3 pré-pressão: pressão 20-25 MPa, tempo 3-5 min, durante a aspiração
4 extrusão: pressione o defletor — extrusão de 5-15 MPa — corte — no dissipador de resfriamento
Parâmetros técnicos de extrusão: taxa de compressão, temperatura da câmara de prensagem e do bico, temperatura de resfriamento, tempo de pressão de pré-carga, pressão de extrusão, velocidade de extrusão, temperatura da água de resfriamento
Inspeção de corpos verdes: densidade aparente, vazamento de aparência, análise
Calcinação: É um processo no qual o corpo verde do produto de carbono é preenchido em um forno de aquecimento especialmente projetado, sob a proteção do enchimento, para realizar um tratamento térmico de alta temperatura a fim de carbonizar o piche de carvão no corpo verde. O coque betuminoso formado após a carbonização do betume de carvão solidifica o agregado carbonáceo e as partículas de pó, resultando em um produto de carbono calcinado com alta resistência mecânica, baixa resistividade elétrica, boa estabilidade térmica e estabilidade química.
A calcinação é um dos principais processos na produção de produtos de carbono e também uma parte importante dos três principais processos de tratamento térmico para a produção de eletrodos de grafite. O ciclo de produção da calcinação é longo (22 a 30 dias para cozimento, 5 a 20 dias para fornos de cozimento duplo) e apresenta alto consumo de energia. A qualidade da torrefação a verde afeta a qualidade do produto final e o custo de produção.
O piche de carvão verde no corpo verde é coqueificado durante o processo de torrefação, e cerca de 10% da matéria volátil é descarregada, sendo o volume produzido por retração de 2 a 3%, com perda de massa de 8 a 10%. As propriedades físicas e químicas do tarugo de carbono também mudaram significativamente. A porosidade diminuiu de 1,70 g/cm³ para 1,60 g/cm³ e a resistividade diminuiu de 10.000 μΩ·m para 40-50 μΩ·m devido ao aumento da porosidade. A resistência mecânica do tarugo calcinado também foi elevada. Para melhorias.
O cozimento secundário é um processo no qual o produto calcinado é imerso e, em seguida, calcinado para carbonizar o piche imerso nos poros do produto calcinado. Eletrodos que exigem maior densidade aparente (todas as variedades, exceto RP) e blanks de junta precisam ser bibaqueados, e os blanks de junta também são submetidos a três banhos de imersão, quatro banhos ou dois banhos de imersão, três banhos.
Tipo de forno principal do torrador:
Operação contínua - forno circular (com tampa, sem tampa), forno de túnel
Operação intermitente - forno reverso, torrefador sob o piso, torrefador de caixa
Curva de calcinação e temperatura máxima:
Torra única - 320, 360, 422, 480 horas, 1250 °C
Torrefação secundária - 125, 240, 280 horas, 700-800 °C
Inspeção de produtos assados: vazamento de aparência, 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 vaso de pressão e o piche impregnante líquido 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 produto.
O processo de impregnação e os parâmetros técnicos relacionados são: torrefação do tarugo – limpeza da superfície – pré-aquecimento (260-380 °C, 6-10 horas) – carregamento do tanque de impregnação – aspiração (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 de impregnação G=(W2-W1)/W1×100%
Uma taxa de ganho de peso de imersão ≥14%
Taxa de ganho de peso do produto impregnado secundário ≥ 9%
Taxa de ganho de peso de três produtos de imersão ≥ 5%
Grafitização refere-se a um processo de tratamento térmico de alta temperatura no qual um produto de carbono é aquecido a uma temperatura de 2300 °C ou mais em um meio protetor em um forno elétrico de alta temperatura para converter uma estrutura amorfa em camadas de carbono em uma estrutura de cristal 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 4-5 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 tornar a lubrificação do material de carbono e a resistência à abrasão;
4 Impurezas de exaustão, melhoram 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 do material de carbono é realizada a uma temperatura elevada de 2300-3000 °C, pelo que só pode ser realizada por aquecimento elétrico na indústria, ou seja, a corrente passa diretamente pelo produto calcinado aquecido, e o produto calcinado carregado no forno é gerado pela corrente elétrica a uma temperatura elevada. O condutor é, por sua vez, um objeto aquecido a uma temperatura elevada.
Os fornos atualmente amplamente utilizados incluem fornos de grafitização Acheson e fornos de cascata de calor interna (LWG). O primeiro possui grande potência, grande diferença de temperatura e alto consumo de energia. O segundo possui tempo de aquecimento curto, baixo consumo de energia, resistividade elétrica uniforme e não é adequado para instalação.
O controle do processo de grafitização é feito pela medição da curva de potência elétrica adequada à condição de elevação 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 da grafitização é muito grande, geralmente 3200-4800 kWh, e o custo do processo representa cerca de 20-35% do custo total de produção.
Inspeção de produtos grafitados: vazamento de aparência, ensaio de resistividade
Usinagem: O objetivo da usinagem mecânica de materiais de grafite de carbono é atingir o tamanho, a forma, a precisão etc. necessários por meio de cortes para fazer o corpo do eletrodo e as juntas de acordo com os requisitos de uso.
O processamento do eletrodo de grafite é dividido em dois processos de processamento independentes: corpo do eletrodo e junta.
O processamento do corpo inclui três etapas: furação e desbaste da face plana, círculo externo e face plana e fresamento da rosca. O processamento da junta cônica pode ser dividido em 6 processos: corte, face plana, face cônica, fresamento da rosca, furação do parafuso e abertura de ranhuras.
Conexão de juntas de eletrodos: conexão de junta cônica (três fivelas e uma fivela), conexão de junta cilíndrica, conexão de colisão (conexão macho e fêmea)
Controle da precisão da usinagem: desvio da conicidade da rosca, passo da rosca, desvio do diâmetro grande da junta (furo), coaxialidade do furo da junta, verticalidade do furo da junta, planicidade da face final do eletrodo, desvio de quatro pontos da junta. Verifique com calibradores de anel e calibradores de placa especiais.
Inspeção de eletrodos acabados: precisão, peso, comprimento, diâmetro, densidade aparente, resistividade, tolerância de pré-montagem, etc.
Data de publicação: 31 de outubro de 2019