Графитовый электрод — это высокотемпературный проводящий графитовый материал, получаемый путем смешивания нефти, игольчатого кокса в качестве заполнителя и битума в качестве связующего вещества. Производство осуществляется посредством ряда процессов, таких как смешивание, формование, обжиг, пропитка, графитизация и механическая обработка.
Графитовый электрод является важным высокотемпературным проводящим материалом для электросталеплавильного производства. Графитовый электрод используется для подачи электрической энергии в электропечь, а высокая температура, генерируемая дугой между концом электрода и шихтой, используется в качестве источника тепла для плавки шихты при выплавке стали. Графитовые электроды также используются в других рудных печах для выплавки таких материалов, как желтый фосфор, промышленный кремний и абразивы. Превосходные и особые физико-химические свойства графитовых электродов также широко используются в других отраслях промышленности.
В качестве сырья для производства графитовых электродов используются нефтяной кокс, игольчатый кокс и каменноугольная смола.
Нефтяной кокс — это легковоспламеняющийся твердый продукт, получаемый из остатков коксования угля и нефтяного пека. Он имеет черный цвет и пористую структуру, основным элементом является углерод, а содержание золы очень низкое, обычно менее 0,5%. Нефтяной кокс относится к классу легко графитизируемых углеродных материалов. Нефтяной кокс имеет широкий спектр применения в химической и металлургической промышленности. Он является основным сырьем для производства искусственных графитовых продуктов и углеродных продуктов для электролитического алюминия.
В зависимости от температуры термической обработки нефтяной кокс можно разделить на два типа: сырой кокс и прокаленный кокс. Первый, получаемый методом замедленного коксования, содержит большое количество летучих веществ и обладает низкой механической прочностью. Прокаленный кокс получают путем прокаливания сырого кокса. Большинство нефтеперерабатывающих заводов в Китае производят только кокс, а операции по прокаливанию в основном проводятся на углеродных заводах.
Нефтяной кокс можно разделить на высокосернистый (содержащий более 1,5% серы), среднесернистый (содержащий 0,5–1,5% серы) и низкосернистый (содержащий менее 0,5% серы). Для производства графитовых электродов и других изделий из искусственного графита обычно используют низкосернистый кокс.
Игольчатый кокс — это высококачественный кокс с выраженной волокнистой текстурой, очень низким коэффициентом теплового расширения и легкой графитизацией. При измельчении кокс расщепляется на тонкие полоски в зависимости от текстуры (соотношение сторон обычно превышает 1,75). Анизотропная волокнистая структура наблюдается под поляризационным микроскопом, поэтому его называют игольчатым коксом.
Анизотропия физико-механических свойств игольчатого кокса очень очевидна. Он обладает хорошей электрической и тепловой проводимостью параллельно продольной оси частиц, а также низким коэффициентом теплового расширения. При экструзионном формовании продольная ось большинства частиц располагается в направлении экструзии. Поэтому игольчатый кокс является ключевым сырьем для производства высокомощных или сверхвысокомощных графитовых электродов. Полученный графитовый электрод обладает низким сопротивлением, малым коэффициентом теплового расширения и хорошей термостойкостью.
Игольчатый кокс подразделяется на игольчатый кокс на нефтяной основе, получаемый из нефтяных остатков, и игольчатый кокс на угольной основе, получаемый из рафинированного каменноугольного сырья.
Каменноугольная смола является одним из основных продуктов глубокой переработки каменноугольной смолы. Это смесь различных углеводородов, черная при высоких температурах, полутвердая или твердая при высоких температурах, без фиксированной температуры плавления, размягчающаяся после нагревания, а затем расплавленная, с плотностью 1,25-1,35 г/см³. В зависимости от температуры размягчения она делится на низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный асфальт. Выход среднетемпературного асфальта составляет 54-56% от каменноугольной смолы. Состав каменноугольной смолы чрезвычайно сложен и зависит от свойств смолы и содержания гетероатомов, а также от системы процесса коксования и условий переработки каменноугольной смолы. Существует множество показателей для характеристики каменноугольной смолы, таких как температура размягчения битума, содержание нерастворимых в толуоле веществ (TI), содержание нерастворимых в хинолине веществ (QI), коксовые свойства и реология каменноугольной смолы.
Каменноугольная смола используется в углеродной промышленности в качестве связующего вещества и пропитки, и её свойства оказывают большое влияние на производственный процесс и качество углеродной продукции. В качестве связующего асфальта обычно используется среднетемпературный или среднетемпературно-модифицированный асфальт с умеренной температурой размягчения, высоким коксовым числом и высоким содержанием β-смол. В качестве пропитки используется среднетемпературный асфальт с низкой температурой размягчения, низким индексом коксования (QI) и хорошими реологическими свойствами.
На следующем рисунке показан процесс производства графитового электрода на углеродном предприятии.
Кальцинирование: Углеродсодержащее сырье подвергается термической обработке при высокой температуре для удаления содержащейся в нем влаги и летучих веществ, а производственный процесс, соответствующий улучшению исходных кулинарных свойств, называется кальцинированием. Как правило, углеродсодержащее сырье кальцинируется с использованием газа и собственных летучих веществ в качестве источника тепла, при этом максимальная температура составляет 1250-1350 °C.
Прокаливание вносит существенные изменения в структуру и физико-химические свойства углеродистого сырья, главным образом, улучшая плотность, механическую прочность и электропроводность кокса, повышая его химическую стабильность и стойкость к окислению, закладывая основу для последующих процессов.
Оборудование для обжига в основном включает в себя резервуарные печи, вращающиеся печи и электрические печи для обжига. Показателями контроля качества обжига являются: истинная плотность нефтяного кокса не менее 2,07 г/см³, удельное сопротивление не более 550 мкОм·м, истинная плотность игольчатого кокса не менее 2,12 г/см³ и удельное сопротивление не более 500 мкОм·м.
Измельчение сырья и ингредиенты
Перед замешиванием смеси обожженный нефтяной кокс и игольчатый кокс необходимо измельчить, перемолоть и просеять.
Среднее измельчение обычно осуществляется с помощью дробильного оборудования размером около 50 мм, включающего щековую дробилку, молотковую дробилку, валковую дробилку и тому подобное, для дальнейшего измельчения материала размером 0,5-20 мм, необходимого для дозирования.
Измельчение — это процесс помола углеродистого материала до порошкообразного состояния с мелкими частицами размером 0,15 мм или менее и размером частиц 0,075 мм или менее с помощью кольцевой валковой мельницы подвесного типа (мельницы Раймонда), шаровой мельницы или аналогичного устройства.
Просеивание — это процесс, при котором широкий спектр материалов после измельчения разделяется на несколько диапазонов размеров частиц с узким диапазоном размеров с помощью ряда сит с равномерными отверстиями. Для производства современных электродов обычно требуется 4-5 гранул и 1-2 порошковых марки.
Ингредиенты — это производственные процессы, включающие расчет, взвешивание и концентрацию различных заполнителей, порошков и связующих веществ в соответствии с требованиями рецептуры. Научная обоснованность рецептуры и стабильность процесса дозирования являются одними из важнейших факторов, влияющих на показатели качества и эксплуатационные характеристики продукта.
Формула должна учитывать 5 аспектов:
1. Выберите тип сырья;
2. Определить пропорции различных видов сырья;
3. Определение гранулометрического состава твердого сырья;
4. Определите количество связующего вещества;
5. Определите тип и количество добавок.
Замешивание: Смешивание и количественное определение гранул и порошков углеродистых материалов различного размера с определенным количеством связующего вещества при определенной температуре, а затем замешивание пластичной пасты в процессе, называемом замешиванием.
Процесс замешивания: сухое замешивание (20-35 мин), влажное замешивание (40-55 мин).
Роль замешивания:
1. При сухом смешивании различные сырьевые материалы равномерно перемешиваются, а твердые углеродистые материалы с различными размерами частиц равномерно распределяются и заполняются для повышения плотности смеси;
2. После добавления каменноугольной смолы сухой материал и асфальт равномерно перемешиваются. Жидкий асфальт равномерно покрывает и смачивает поверхность гранул, образуя слой асфальтового сцепления, и все материалы скрепляются друг с другом, образуя однородную пластичную массу, способствующую формованию.
Три части каменноугольной смолы проникают во внутреннее пространство углеродистого материала, дополнительно увеличивая плотность и когезию пасты.
Формование: Формование углеродного материала — это процесс пластической деформации замешанной углеродной пасты под действием внешней силы, приложенной формовочным оборудованием, для получения в итоге заготовки (или сырья), имеющей определенную форму, размер, плотность и прочность.
Виды формования, оборудование и производимая продукция:
метод формования
Общее оборудование
основные продукты
Формование
Вертикальный гидравлический пресс
Электроуглерод, низкосортный мелкоструктурный графит
Сжимать
Горизонтальный гидравлический экструдер
Шнековый экструдер
Графитовый электрод, квадратный электрод
Вибрационное формование
Вибрационная формовочная машина
Алюминиевый углеродистый кирпич, доменный углеродистый кирпич
Изостатическое прессование
машина для изостатического формования
Изотропный графит, анизотропный графит
Операция сжатия
1. Охлаждающие материалы: дисковые охлаждающие материалы, цилиндрические охлаждающие материалы, смесительные и замешивающие охлаждающие материалы и т. д.
Удалите летучие вещества, уменьшите температуру до подходящего уровня (90-120 °C) для повышения адгезии, чтобы в течение 20-30 минут паста приобрела однородную блочную структуру.
2. Нагрузка: подъемная перегородка пресса — 2-3 раза резка — уплотнение 4-10 МПа
3. Предварительное давление: давление 20-25 МПа, время 3-5 мин, с одновременным вакуумированием.
4. Экструзия: прижать перегородку — экструзия 5-15 МПа — разрезать — в охлаждающую камеру
Технические параметры экструзии: степень сжатия, температура прессовой камеры и сопла, температура охлаждения, время предварительной нагрузки, давление экструзии, скорость экструзии, температура охлаждающей воды.
Контроль качества сырого изделия: насыпная плотность, внешний вид, вскрытие упаковки, анализ.
Кальцинирование: это процесс, при котором заготовки из углеродистой стали помещаются в специально сконструированную нагревательную печь под защитой наполнителя для проведения высокотемпературной термообработки с целью карбонизации угольной смолы в заготовке. Образовавшийся после карбонизации угольного битума битумный кокс скрепляет углеродистый агрегат и частицы порошка, а кальцинированный углеродистый продукт обладает высокой механической прочностью, низким электрическим сопротивлением, хорошей термической и химической стабильностью.
Кальцинирование — один из основных процессов в производстве углеродных изделий, а также важная часть трех основных процессов термической обработки при производстве графитовых электродов. Цикл кальцинирования длительный (22-30 дней для обжига, 5-20 дней для двух обжигов в печах) и требует больших затрат энергии. Качество обжига влияет на качество готовой продукции и себестоимость производства.
В процессе обжига угольная смола в сыром рудном носителе коксуется, при этом выделяется около 10% летучих веществ, объем уменьшается на 2-3%, а потеря массы составляет 8-10%. Физико-химические свойства углеродной заготовки также значительно изменяются. Пористость снижается с 1,70 г/см³ до 1,60 г/см³, а удельное сопротивление уменьшается с 10000 мкОм·м до 40-50 мкОм·м из-за увеличения пористости. Механическая прочность обожженной заготовки также значительно повышается. Необходимо улучшить эти показатели.
Вторичная обжиговая обработка — это процесс, при котором прокаленный продукт погружают в поры прокаленного продукта, а затем обжигают для карбонизации смолы, находящейся в этих порах. Электроды, требующие более высокой насыпной плотности (все разновидности, кроме RP), и заготовки для соединений необходимо подвергать двухэтапной обжиговой обработке, а заготовки для соединений также подвергают трехэтапной или двухэтапной трехэтапной обжиговой обработке.
Основной тип печи для обжарки:
Непрерывный режим работы — кольцевая печь (с крышкой, без крышки), туннельная печь.
Режимы работы с перерывами — печь с обратным потоком воздуха, подпольная жаровня, коробчатая жаровня.
Кривая кальцинирования и максимальная температура:
Однократная обжарка — 320, 360, 422, 480 часов, 1250 °C
Вторичная обжарка — 125, 240, 280 часов, 700-800 °C
Контроль качества хлебобулочных изделий: внешний вид (проверка на прочность при постукивании), электрическое сопротивление, насыпная плотность, прочность на сжатие, анализ внутренней структуры.
Импрегнация — это процесс, при котором углеродный материал помещается в сосуд под давлением, а жидкий пропиточный пек погружается в поры получаемого электрода при определенных условиях температуры и давления. Цель состоит в уменьшении пористости продукта, увеличении его насыпной плотности и механической прочности, а также улучшении электрической и тепловой проводимости.
Процесс пропитки и связанные с ним технические параметры: обжиг заготовки – очистка поверхности – предварительный нагрев (260-380 °C, 6-10 часов) – загрузка в пропиточную ванну – вакуумирование (8-9 кПа, 40-50 мин) – впрыскивание битума (180-200 °C) – создание давления (1,2-1,5 МПа, 3-4 часа) – возврат в асфальт – охлаждение (внутри или снаружи ванны).
Контроль качества пропитанных изделий: коэффициент увеличения массы при пропитке G = (W2-W1)/W1×100%
Прибавка в весе после однократного погружения в воду составляет ≥14%.
Прирост массы вторично пропитанного продукта ≥ 9%
Прирост веса трех видов продукции для макания составляет ≥ 5%.
Графитизация — это процесс высокотемпературной термообработки, при котором углеродный продукт нагревается до температуры 2300 °C или выше в защитной среде в высокотемпературной электрической печи для преобразования аморфной слоистой структуры углерода в трехмерную упорядоченную кристаллическую структуру графита.
Цель и эффект графитизации:
1. Улучшить проводимость и теплопроводность углеродного материала (сопротивление снижается в 4-5 раз, а теплопроводность увеличивается примерно в 10 раз);
2. Улучшение термостойкости и химической стабильности углеродного материала (коэффициент линейного расширения снижен на 50-80%);
3. Для придания углеродному материалу смазывающих свойств и износостойкости;
4. Удаляет примеси из выхлопных газов, повышает чистоту углеродного материала (содержание золы в продукте снижается с 0,5-0,8% до примерно 0,3%).
Реализация процесса графитизации:
Графитизация углеродного материала осуществляется при высокой температуре 2300-3000 °C, поэтому в промышленности она может быть реализована только с помощью электрического нагрева, то есть ток непосредственно проходит через нагретый прокаленный продукт, а прокаленный продукт, загружаемый в печь, генерируется электрическим током при высокой температуре. Проводником, в свою очередь, является объект, нагреваемый до высокой температуры.
В настоящее время широко используются печи графитизации Ачесона и печи с внутренним тепловым каскадом (LWG). Первая имеет большую мощность, большой перепад температур и высокое энергопотребление. Вторая отличается коротким временем нагрева, низким энергопотреблением, равномерным электрическим сопротивлением и не подходит для монтажа.
Управление процессом графитизации осуществляется путем измерения кривой электрической мощности, соответствующей условиям повышения температуры. Время подачи электроэнергии составляет 50-80 часов для печи Ачесона и 9-15 часов для печи LWG.
Потребление электроэнергии при графитизации очень велико, обычно 3200-4800 кВт·ч, а себестоимость процесса составляет около 20-35% от общей себестоимости производства.
Контроль качества графитированных изделий: проверка внешнего вида методом постукивания, измерение удельного сопротивления.
Механическая обработка: Целью механической обработки углеродно-графитовых материалов является получение требуемых размеров, формы, точности и т. д. путем резки для изготовления корпуса электрода и соединений в соответствии с требованиями применения.
Обработка графитовых электродов делится на два независимых процесса: изготовление корпуса электрода и соединение электродов.
Обработка корпуса включает три этапа: расточка и черновая обработка плоской торцевой поверхности, обработка наружного круга и плоской торцевой поверхности, а также фрезерование резьбы. Обработка конического соединения может быть разделена на 6 этапов: резка, обработка плоской торцевой поверхности, обработка конусной торцевой поверхности, фрезерование резьбы, сверление болтов и нарезание пазов.
Способы соединения электродов: коническое соединение (три защелки и одна защелка), цилиндрическое соединение, контактное соединение (штекер и гнездо).
Контроль точности обработки: отклонение конусности резьбы, шаг резьбы, отклонение большого диаметра соединения (отверстия), соосность отверстия в соединении, вертикальность отверстия в соединении, плоскостность торца электрода, четырехточечное отклонение соединения. Проверка с помощью специальных кольцевых и пластинчатых калибров.
Контроль качества готовых электродов: точность, вес, длина, диаметр, насыпная плотность, удельное сопротивление, допуски на этапе предварительной сборки и т. д.
Дата публикации: 31 октября 2019 г.