Grafitová elektróda je vysokoteplotný vodivý grafitový materiál vyrobený z ropného mixu, ihličkového koksu ako kameniva a uhoľného bitúmenu ako spojiva, ktoré sa vyrábajú sériou procesov, ako je miesenie, tvarovanie, praženie, impregnácia, grafitizácia a mechanické spracovanie.
Grafitová elektróda je dôležitý vysokoteplotný vodivý materiál pre elektrickú výrobu ocele. Grafitová elektróda sa používa na prívod elektrickej energie do elektrickej pece a vysoká teplota generovaná oblúkom medzi koncom elektródy a vsádzkou sa používa ako zdroj tepla na tavenie vsádzky na výrobu ocele. Iné pece na ťažbu rudy, ktoré tavia materiály, ako je žltý fosfor, priemyselný kremík a abrazíva, tiež používajú grafitové elektródy ako vodivé materiály. Vynikajúce a špeciálne fyzikálne a chemické vlastnosti grafitových elektród sa tiež široko používajú v iných priemyselných odvetviach.
Surovinami na výrobu grafitových elektród sú ropný koks, ihličkový koks a uhoľnodechtová smola.
Ropný koks je horľavý tuhý produkt získaný koksovaním uhoľných zvyškov a ropnej smoly. Farba je čierna a pórovitá, hlavným prvkom je uhlík a obsah popola je veľmi nízky, zvyčajne pod 0,5 %. Ropný koks patrí do triedy ľahko grafitizovateľného uhlíka. Ropný koks má široké využitie v chemickom a metalurgickom priemysle. Je hlavnou surovinou na výrobu umelých grafitových produktov a uhlíkových produktov pre elektrolytický hliník.
Ropný koks možno rozdeliť na dva typy: surový koks a kalcinovaný koks podľa teploty tepelného spracovania. Prvý ropný koks získaný oneskoreným koksovaním obsahuje veľké množstvo prchavých látok a má nízku mechanickú pevnosť. Kalcinovaný koks sa získava kalcináciou surového koksu. Väčšina rafinérií v Číne vyrába iba koks a kalcinačné operácie sa väčšinou vykonávajú v rafinériách na uhlík.
Ropný koks sa dá rozdeliť na koks s vysokým obsahom síry (obsahujúci viac ako 1,5 % síry), koks so stredným obsahom síry (obsahujúci 0,5 % – 1,5 % síry) a koks s nízkym obsahom síry (obsahujúci menej ako 0,5 % síry). Výroba grafitových elektród a iných umelých grafitových produktov sa vo všeobecnosti vykonáva s použitím koksu s nízkym obsahom síry.
Ihlový koks je druh vysoko kvalitného koksu s výraznou vláknitou textúrou, veľmi nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti a ľahkou grafitizáciou. Po rozdrvení koksu sa dá rozdeliť na tenké pásiky podľa textúry (pomer strán je zvyčajne vyšší ako 1,75). Anizotropnú vláknitú štruktúru možno pozorovať pod polarizačným mikroskopom, a preto sa označuje ako ihličkový koks.
Anizotropia fyzikálno-mechanických vlastností ihličkového koksu je veľmi zrejmá. Má dobrú elektrickú a tepelnú vodivosť rovnobežne so smerom dlhej osi častíc a nízky koeficient tepelnej rozťažnosti. Pri extrúznom lisovaní je dlhá os väčšiny častíc usporiadaná v smere extrúzie. Preto je ihličkový koks kľúčovou surovinou na výrobu grafitových elektród s vysokým alebo ultravysokým výkonom. Vyrobená grafitová elektróda má nízky merný odpor, malý koeficient tepelnej rozťažnosti a dobrú odolnosť voči tepelným šokom.
Ihlový koks sa delí na ihličkový koks na báze ropy vyrobený z ropných zvyškov a ihličkový koks na báze uhlia vyrobený z rafinovaných uhoľných dechtových surovín.
Uhoľný decht je jedným z hlavných produktov hlbokého spracovania uhoľného dechtu. Je to zmes rôznych uhľovodíkov, pri vysokej teplote čierny, pri vysokej teplote polotuhý alebo tuhý, bez pevného bodu topenia, po zahriatí zmäkne a potom sa roztaví, s hustotou 1,25 – 1,35 g/cm3. Podľa bodu mäknutia sa delí na nízkoteplotný, strednoteplotný a vysokoteplotný asfalt. Výťažok asfaltu pri strednej teplote je 54 – 56 % uhoľného dechtu. Zloženie uhoľného dechtu je mimoriadne zložité, čo súvisí s vlastnosťami uhoľného dechtu a obsahom heteroatómov a je ovplyvnené aj systémom koksovania a podmienkami spracovania uhoľného dechtu. Existuje mnoho ukazovateľov na charakterizáciu uhoľného dechtu, ako je bod mäknutia bitúmenu, nerozpustné látky v toluéne (TI), nerozpustné látky v chinolíne (QI), hodnoty koksovania a reológia uhoľného dechtu.
Uhoľný decht sa používa ako spojivo a impregnačná látka v uhlíkovom priemysle a jeho vlastnosti majú veľký vplyv na výrobný proces a kvalitu uhlíkových výrobkov. Ako spojivo sa vo všeobecnosti používa asfalt so strednou teplotou alebo modifikovaný asfalt so strednou teplotou, ktorý má mierny bod mäknutia, vysokú hodnotu koksovateľnosti a vysoký obsah β živice. Impregnačné činidlo je asfalt so strednou teplotou, ktorý má nízky bod mäknutia, nízky index kvality a dobré reologické vlastnosti.
Nasledujúci obrázok znázorňuje proces výroby grafitových elektród v uhlíkovom podniku.
Kalcinácia: Uhlíková surovina sa tepelne spracováva pri vysokej teplote, aby sa odstránila vlhkosť a prchavé látky, ktoré obsahuje, a výrobný proces zodpovedajúci zlepšeniu pôvodného varného výkonu sa nazýva kalcinácia. Vo všeobecnosti sa uhlíková surovina kalcinuje pomocou plynu a vlastných prchavých látok ako zdroja tepla a maximálna teplota je 1250 – 1350 °C.
Kalcinácia spôsobuje zásadné zmeny v štruktúre a fyzikálno-chemických vlastnostiach uhlíkatých surovín, najmä zlepšením hustoty, mechanickej pevnosti a elektrickej vodivosti koksu, zlepšením chemickej stability a oxidačnej odolnosti koksu, čím sa kladie základ pre následný proces.
Kalcinačné zariadenia zahŕňajú najmä tankovú kalcináciu, rotačnú pec a elektrickú kalcináciu. Index kontroly kvality kalcinácie je taký, že skutočná hustota ropného koksu nie je menšia ako 2,07 g/cm3, merný odpor nie je väčší ako 550 μΩ.m, skutočná hustota ihlového koksu nie je menšia ako 2,12 g/cm3 a merný odpor nie je väčší ako 500 μΩ.m.
Drvenie surovín a prísady
Pred dávkovaním sa musí kalcinovaný ropný koks a ihličkový koks rozdrviť, zomlieť a preosiať.
Stredné drvenie sa zvyčajne vykonáva drviacim zariadením s veľkosťou zrna približne 50 mm pomocou čeľusťového drviča, kladivového drviča, valcového drviča a podobne, aby sa ďalej rozdrvil materiál s veľkosťou 0,5 – 20 mm potrebný na dávkovanie.
Mletie je proces mletia uhlíkového materiálu na práškové malé častice s veľkosťou 0,15 mm alebo menej a veľkosťou častíc 0,075 mm alebo menej pomocou valcového mlyna so závesným mechanizmom (Raymondov mlyn), guľového mlyna alebo podobne.
Triedenie je proces, pri ktorom sa široká škála materiálov po drvení rozdelí na niekoľko rozsahov veľkosti častíc s úzkym rozsahom veľkostí pomocou série sít s rovnomernými otvormi. Výroba súčasných elektród zvyčajne vyžaduje 4-5 peliet a 1-2 druhy prášku.
Zložky sú výrobné procesy na výpočet, váženie a zaostrenie rôznych agregátov kameniva, práškov a spojív podľa požiadaviek receptúry. Vedecká vhodnosť receptúry a stabilita dávkovania patria medzi najdôležitejšie faktory ovplyvňujúce index kvality a výkonnosť produktu.
Vzorec musí určiť 5 aspektov:
1Vyberte druh surovín;
2 určiť podiel rôznych druhov surovín;
3 určenie zloženia veľkosti častíc pevnej suroviny;
4 určiť množstvo spojiva;
5 Určte druh a množstvo prísad.
Miesenie: Miešanie a kvantifikácia uhlíkových granúl a práškov s rôznymi veľkosťami častíc s určitým množstvom spojiva pri určitej teplote a miesenie plastickej pasty do procesu nazývaného miesenie.
Proces miesenia: suché miešanie (20-35 min) mokré miešanie (40-55 min)
Úloha miesenia:
1 Pri suchom miešaní sa rôzne suroviny rovnomerne zmiešajú a pevné uhlíkaté materiály s rôznymi veľkosťami častíc sa rovnomerne zmiešajú a naplnia, aby sa zlepšila kompaktnosť zmesi;
2 Po pridaní uhoľnodechtovej smoly sa suchý materiál a asfalt rovnomerne zmiešajú. Tekutý asfalt rovnomerne pokryje a zmáča povrch granúl, čím vytvorí vrstvu asfaltovej spojovacej vrstvy a všetky materiály sa navzájom spoja a vytvoria homogénny plastický náter. To prispieva k formovaniu;
3 diely uhoľnodechtovej smoly prenikajú do vnútorného priestoru uhlíkatého materiálu, čím sa ďalej zvyšuje hustota a súdržnosť pasty.
Tvárnenie: Tvárnenie uhlíkového materiálu sa vzťahuje na proces plastickej deformácie miesenej uhlíkovej pasty pôsobením vonkajšej sily aplikovanej tvářiacim zariadením, pričom sa nakoniec vytvorí surový výrobok (alebo produkt) s určitým tvarom, veľkosťou, hustotou a pevnosťou.
Druhy lisovacích foriem, zariadení a vyrábaných produktov:
Metóda formovania
Bežné vybavenie
hlavné produkty
Lisovanie
Vertikálny hydraulický lis
Elektrický uhlík, nízkokvalitný jemnoštruktúrny grafit
Stlačiť
Horizontálny hydraulický extrudér
Skrutkový extrudér
Grafitová elektróda, štvorcová elektróda
Vibračné formovanie
Vibračný formovací stroj
Hliníkovo-uhlíkové tehly, vysokopecné uhlíkové tehly
Izostatické lisovanie
Izostatický formovací stroj
Izotropný grafit, anizotropný grafit
Stlačenie
1 chladiaci materiál: chladiaci materiál kotúčov, chladiaci materiál valcov, chladiace materiály na miešanie a miesenie atď.
Uvoľnite prchavé látky a znížte teplotu na vhodnú (90 – 120 °C), aby sa zvýšila priľnavosť, a aby blokovitosť pasty bola rovnomerná počas 20 – 30 minút.
2 Nakladanie: lisovanie zdvíhacej prepážky —– 2-3 krát rezanie —-4-10MPa zhutňovanie
3 predbežné tlaky: tlak 20-25 MPa, čas 3-5 minút, počas vysávania
4 extrúzia: zatlačte prepážku —extrúzia 5-15 MPa — rez — do chladiaceho drezu
Technické parametre extrúzie: kompresný pomer, teplota lisovacej komory a trysky, teplota chladenia, čas predpätia, extrúzny tlak, rýchlosť extrúzie, teplota chladiacej vody
Kontrola surového telesa: objemová hmotnosť, vzhľad poklepaním, analýza
Kalcinácia: Je to proces, pri ktorom sa surový uhlíkový produkt plní do špeciálne navrhnutej vykurovacej pece pod ochranou plniva, kde sa vykonáva vysokoteplotné tepelné spracovanie na karbonizáciu uhoľnej smoly v surovom produkte. Asfaltový koks vytvorený po karbonizácii uhoľného bitúmenu stuhne uhlíkový agregát a častice prášku a kalcinovaný uhlíkový produkt má vysokú mechanickú pevnosť, nízky elektrický odpor, dobrú tepelnú stabilitu a chemickú stabilitu.
Kalcinácia je jedným z hlavných procesov pri výrobe uhlíkových produktov a je tiež dôležitou súčasťou troch hlavných procesov tepelného spracovania pri výrobe grafitových elektród. Výrobný cyklus kalcinácie je dlhý (22 – 30 dní pri pečení, 5 – 20 dní pri peciach na dvojnásobné pečenie) a má vyššiu spotrebu energie. Kvalita zeleného praženia má vplyv na kvalitu hotového výrobku a výrobné náklady.
Zelená uhoľná smola v surovom telese sa počas procesu praženia koksuje a uvoľňuje sa približne 10 % prchavých látok, objem sa zväčšuje zmršťovaním o 2 – 3 % a strata hmotnosti je 8 – 10 %. Fyzikálne a chemické vlastnosti uhlíkového polotovaru sa tiež výrazne zmenili. Pórovitosť sa znížila z 1,70 g/cm3 na 1,60 g/cm3 a merný odpor sa znížil z 10 000 μΩ·m na 40 – 50 μΩ·m v dôsledku zvýšenia pórovitosti. Mechanická pevnosť kalcinovaného polotovaru bola tiež veľká. Pre zlepšenie.
Sekundárne vypaľovanie je proces, pri ktorom sa kalcinovaný produkt ponára a potom kalcinuje za účelom karbonizácie smoly ponorenej v póroch kalcinovaného produktu. Elektródy, ktoré vyžadujú vyššiu objemovú hmotnosť (všetky odrody okrem RP), a polotovary spojov sa musia dvakrát vypaľovať a polotovary spojov sa tiež podrobujú trojitému štvor- alebo dvoj-ponornému trojitému vypaľovaniu.
Hlavný typ pece pražiarne:
Nepretržitá prevádzka – kruhová pec (s krytom, bez krytu), tunelová pec
Prerušovaná prevádzka – reverzná pec, podlahová pražiaca pec, komorová pražiaca pec
Kalcinačná krivka a maximálna teplota:
Jednorazové praženie – 320, 360, 422, 480 hodín, 1250 °C
Sekundárne praženie – 125, 240, 280 hodín, 700 – 800 °C
Kontrola pečených výrobkov: vzhľad poklepaním, elektrický odpor, objemová hmotnosť, pevnosť v tlaku, analýza vnútornej štruktúry
Impregnácia je proces, pri ktorom sa uhlíkový materiál umiestni do tlakovej nádoby a tekutá impregnačná smola sa ponorí do pórov elektródy produktu za určitých teplotných a tlakových podmienok. Účelom je znížiť pórovitosť produktu, zvýšiť objemovú hustotu a mechanickú pevnosť produktu a zlepšiť elektrickú a tepelnú vodivosť produktu.
Impregnačný proces a súvisiace technické parametre sú: praženie polotovaru – čistenie povrchu – predhriatie (260 – 380 °C, 6 – 10 hodín) – plnenie impregnačnej nádrže – vákuovanie (8 – 9 kPa, 40 – 50 min) – vstrekovanie bitúmenu (180 – 200 °C) – natlakovanie (1,2 – 1,5 MPa, 3 – 4 hodiny) – návrat do asfaltu – chladenie (vnútri alebo mimo nádrže)
Kontrola impregnovaných výrobkov: miera nárastu hmotnosti impregnácie G=(W2-W1)/W1×100%
Miera prírastku hmotnosti po jednom namáčaní ≥14%
Miera nárastu hmotnosti sekundárne impregnovaného produktu ≥ 9 %
Miera prírastku hmotnosti troch namáčacíc produktov ≥ 5%
Grafitizácia sa vzťahuje na proces tepelného spracovania pri vysokej teplote, pri ktorom sa uhlíkový produkt zahrieva na teplotu 2300 °C alebo viac v ochrannom médiu vo vysokoteplotnej elektrickej peci, aby sa amorfná vrstevnatá štruktúra uhlíka premenila na trojrozmernú usporiadanú kryštalickú štruktúru grafitu.
Účel a účinok grafitizácie:
1 zlepšiť vodivosť a tepelnú vodivosť uhlíkového materiálu (rezistivita sa zníži 4-5-krát a tepelná vodivosť sa zvýši približne 10-krát);
2 zlepšiť odolnosť voči tepelným šokom a chemickú stabilitu uhlíkového materiálu (koeficient lineárnej rozťažnosti znížený o 50 – 80 %);
3, aby sa uhlíkový materiál stal mazivým a odolným voči oderu;
4 Nečistoty vo výfukových plynoch, zlepšenie čistoty uhlíkového materiálu (obsah popola v produkte sa zníži z 0,5-0,8% na približne 0,3%).
Realizácia procesu grafitizácie:
Grafitizácia uhlíkového materiálu sa vykonáva pri vysokej teplote 2300 – 3000 °C, takže v priemysle sa dá realizovať iba elektrickým ohrevom, to znamená, že prúd prechádza priamo cez zahriaty kalcinovaný produkt a kalcinovaný produkt vložený do pece je generovaný elektrickým prúdom pri vysokej teplote. Vodič je opäť predmet, ktorý sa zahrieva na vysokú teplotu.
Medzi v súčasnosti široko používané pece patria Achesonove grafitizačné pece a pece s vnútorným kaskádovým ohrevom (LWG). Prvá z nich má veľký výkon, veľký teplotný rozdiel a vysokú spotrebu energie. Druhá má krátky čas ohrevu, nízku spotrebu energie, rovnomerný elektrický odpor a nie je vhodná na montáž.
Riadenie procesu grafitizácie sa riadi meraním krivky elektrického výkonu, ktorá je vhodná pre podmienky nárastu teploty. Doba napájania je 50 – 80 hodín pre pec Acheson a 9 – 15 hodín pre pec LWG.
Spotreba energie pri grafitizácii je veľmi vysoká, zvyčajne 3200 – 4800 kWh, a náklady na proces predstavujú približne 20 – 35 % celkových výrobných nákladov.
Kontrola grafitizovaných výrobkov: poklepaním na povrch, skúška odporu
Obrábanie: Účelom mechanického obrábania uhlíkovo-grafitových materiálov je dosiahnuť požadovanú veľkosť, tvar, presnosť atď. rezaním, aby sa telo elektródy a spoje vytvorili v súlade s požiadavkami použitia.
Spracovanie grafitových elektród sa delí na dva nezávislé procesy spracovania: telo elektródy a spoj.
Spracovanie karosérie zahŕňa tri kroky: vyvŕtanie a hrubovanie plochej čelnej plochy, vonkajšieho kruhu a plochej čelnej plochy a frézovanie závitu. Spracovanie kužeľového spoja možno rozdeliť do 6 procesov: rezanie, plochá čelná plocha, kužeľová plocha automobilu, frézovanie závitu, vŕtanie skrutiek a drážkovanie.
Spojenie elektródových spojov: kužeľový spoj (tri spony a jedna spona), valcový spoj, nárazníkový spoj (samec a samica)
Kontrola presnosti obrábania: odchýlka kužeľovitosti závitu, stúpanie závitu, odchýlka veľkého priemeru spoja (otvoru), súososť spojovacieho otvoru, zvislosť spojovacieho otvoru, rovinnosť čelnej plochy elektródy, štvorbodová odchýlka spoja. Kontrola pomocou špeciálnych prstencových kalibrov a doskových kalibrov.
Kontrola hotových elektród: presnosť, hmotnosť, dĺžka, priemer, objemová hmotnosť, odpor, tolerancia pred montážou atď.
Čas uverejnenia: 31. októbra 2019