Grafitna elektroda je visokotemperaturno odporen grafitni prevodni material, ki se proizvaja iz naftnega gnetenja, igličastega koksa kot agregata in premogovega bitumna kot veziva, ki se proizvajajo z vrsto postopkov, kot so gnetenje, oblikovanje, praženje, impregnacija, grafitizacija in mehanska obdelava.
Grafitna elektroda je pomemben visokotemperaturni prevodni material za elektroproizvodnjo jekla. Grafitna elektroda se uporablja za dovajanje električne energije v električno peč, visoka temperatura, ki jo ustvari oblok med koncem elektrode in vložkom, pa se uporablja kot vir toplote za taljenje vložka za proizvodnjo jekla. Druge rudarske peči, ki talijo materiale, kot so rumeni fosfor, industrijski silicij in abrazivi, prav tako uporabljajo grafitne elektrode kot prevodne materiale. Odlične in posebne fizikalne in kemijske lastnosti grafitnih elektrod se pogosto uporabljajo tudi v drugih industrijskih sektorjih.
Surovine za proizvodnjo grafitnih elektrod so naftni koks, igličasti koks in premogov katranski smol.
Naftni koks je vnetljiv trdni produkt, pridobljen s koksanjem ostankov premoga in naftne smole. Barva je črna in porozna, glavni element je ogljik, vsebnost pepela pa je zelo nizka, običajno pod 0,5 %. Naftni koks spada v razred zlahka grafitiziranega ogljika. Naftni koks ima široko paleto uporabe v kemični in metalurški industriji. Je glavna surovina za proizvodnjo umetnih grafitnih izdelkov in ogljikovih izdelkov za elektrolitski aluminij.
Naftni koks lahko glede na temperaturo toplotne obdelave razdelimo na dve vrsti: surovi koks in kalcinirani koks. Prvi naftni koks, pridobljen s počasnim koksanjem, vsebuje veliko hlapnih snovi in ima nizko mehansko trdnost. Kalcinirani koks se pridobiva s kalcinacijo surovega koksa. Večina rafinerij na Kitajskem proizvaja samo koks, kalcinacija pa se večinoma izvaja v rafinerijah za predelavo ogljika.
Naftni koks lahko razdelimo na koks z visoko vsebnostjo žvepla (ki vsebuje več kot 1,5 % žvepla), koks s srednjo vsebnostjo žvepla (ki vsebuje 0,5–1,5 % žvepla) in koks z nizko vsebnostjo žvepla (ki vsebuje manj kot 0,5 % žvepla). Grafitne elektrode in drugi umetni grafitni izdelki se običajno proizvajajo z uporabo koksa z nizko vsebnostjo žvepla.
Iglast koks je vrsta visokokakovostnega koksa z očitno vlaknato teksturo, zelo nizkim koeficientom toplotnega raztezanja in enostavno grafitizacijo. Ko se koks zdrobi, ga je mogoče razdeliti na tanke trakove glede na teksturo (razmerje stranic je običajno nad 1,75). Anizotropno vlaknato strukturo je mogoče opazovati pod polarizacijskim mikroskopom in se zato imenuje iglast koks.
Anizotropija fizikalno-mehanskih lastnosti igličastega koksa je zelo očitna. Ima dobro električno in toplotno prevodnost vzporedno z vzdolžno osjo delca, koeficient toplotnega raztezanja pa je nizek. Pri ekstruzijskem oblikovanju je dolga os večine delcev razporejena v smeri ekstruzije. Zato je igličasti koks ključna surovina za izdelavo grafitnih elektrod z visoko ali ultra visoko močjo. Proizvedena grafitna elektroda ima nizko upornost, majhen koeficient toplotnega raztezanja in dobro odpornost proti toplotnim udarcem.
Iglasti koks se deli na iglasti koks na osnovi nafte, proizveden iz naftnih ostankov, in iglasti koks na osnovi premoga, proizveden iz rafiniranih surovin iz premogove smole.
Premogov katran je eden glavnih produktov globoke predelave premogovega katrana. Je mešanica različnih ogljikovodikov, pri visoki temperaturi črne barve, pri visoki temperaturi poltrdne ali trdne snovi, brez fiksnega tališča, po segrevanju se zmehča in nato stopi, z gostoto 1,25–1,35 g/cm3. Glede na zmehčišče se deli na nizkotemperaturni, srednjetemperaturni in visokotemperaturni asfalt. Izkoristek asfalta pri srednji temperaturi je 54–56 % premogovega katrana. Sestava premogovega katrana je izjemno zapletena, kar je povezano z lastnostmi premogovega katrana in vsebnostjo heteroatomov, nanjo pa vplivajo tudi sistem koksanja in pogoji predelave premogovega katrana. Obstaja veliko kazalnikov za karakterizacijo smole premogovega katrana, kot so zmehčišče bitumna, snovi netopne v toluenu (TI), snovi netopne v kinolinu (QI), vrednosti koksanja in reologija premogove smole.
Premogov katran se v industriji ogljika uporablja kot vezivo in impregnacijsko sredstvo, njegova učinkovitost pa močno vpliva na proizvodni proces in kakovost ogljikovih izdelkov. Vezivni asfalt se običajno uporablja kot srednjetemperaturni ali srednjetemperaturno modificiran asfalt z zmerno točko mehčišča, visoko vrednostjo koksanja in visoko β smolo. Impregnacijsko sredstvo je srednjetemperaturni asfalt z nizko točko mehčišča, nizkim QI in dobrimi reološkimi lastnostmi.
Naslednja slika prikazuje postopek proizvodnje grafitnih elektrod v ogljikovem podjetju.
Kalcinacija: Ogljikova surovina se toplotno obdela pri visoki temperaturi, da se odstrani vlaga in hlapne snovi, ki jih vsebuje, proizvodni postopek, ki ustreza izboljšanju prvotne kuhalne učinkovitosti, pa se imenuje kalcinacija. Na splošno se ogljikova surovina kalcinira z uporabo plina in lastnih hlapnih snovi kot vira toplote, najvišja temperatura pa je 1250–1350 °C.
Kalcinacija povzroči globoke spremembe v strukturi in fizikalno-kemijskih lastnostih ogljikovih surovin, predvsem pri izboljšanju gostote, mehanske trdnosti in električne prevodnosti koksa, izboljšanju kemijske stabilnosti in oksidacijske odpornosti koksa ter polaganju temeljev za nadaljnji postopek.
Oprema za kalcinacijo vključuje predvsem rezervoarsko kalcinacijo, rotacijsko peč in električno kalcinacijo. Indeks nadzora kakovosti kalcinacije je, da dejanska gostota naftnega koksa ni manjša od 2,07 g/cm3, upornost ni večja od 550 μΩ.m, dejanska gostota igličastega koksa ni manjša od 2,12 g/cm3, upornost pa ni večja od 500 μΩ.m.
Drobljenje surovin in sestavine
Pred serijo je treba kalcinirani petrolejski koks in iglični koks zdrobiti, zmleti in presejati.
Srednje drobljenje se običajno izvaja z drobilno opremo s premerom približno 50 mm s pomočjo čeljustnega drobilnika, kladivnega drobilnika, valjčnega drobilnika in podobnega, da se dodatno zdrobi material velikosti 0,5-20 mm, potreben za sečnjo.
Mletje je postopek mletja ogljikovega materiala v praškaste majhne delce velikosti 0,15 mm ali manj in velikosti delcev 0,075 mm ali manj s pomočjo valjčnega mlina suspenzijskega tipa (Raymondov mlin), krogličnega mlina ali podobnega.
Presejanje je postopek, pri katerem se širok nabor materialov po drobljenju razdeli na več razponov velikosti delcev z ozkim razponom velikosti skozi vrsto sit z enakomernimi odprtinami. Za proizvodnjo trenutnih elektrod je običajno potrebnih 4-5 peletov in 1-2 vrsti prahu.
Sestavine so proizvodni procesi za izračun, tehtanje in fokusiranje različnih agregatov agregatov ter praškov in veziv v skladu z zahtevami formulacije. Znanstvena ustreznost formulacije in stabilnost postopka mešanja sta med najpomembnejšimi dejavniki, ki vplivajo na indeks kakovosti in delovanje izdelka.
Formula mora določiti 5 vidikov:
1Izberite vrsto surovin;
2 določiti delež različnih vrst surovin;
3 določanje sestave velikosti delcev trdne surovine;
4 določite količino veziva;
5 Določite vrsto in količino dodatkov.
Gnetenje: Mešanje in kvantificiranje ogljikovih granul in prahov različnih velikosti z določeno količino veziva pri določeni temperaturi ter gnetenje plastične paste v postopek, imenovan gnetenje.
Postopek gnetenja: suho mešanje (20–35 min) mokro mešanje (40–55 min)
Vloga gnetenja:
1 Pri suhem mešanju se različne surovine enakomerno zmešajo, trdni ogljikovi materiali različnih velikosti delcev pa se enakomerno zmešajo in napolnijo, da se izboljša kompaktnost mešanice;
2 Po dodajanju premogovega katrana se suhi material in asfalt enakomerno premešata. Tekoči asfalt enakomerno prekrije in zmoči površino granul, da tvori plast asfaltne vezne plasti, vsi materiali pa se med seboj vežejo v homogen plastični razmaz. To prispeva k oblikovanju;
3 deli premogovega katrana prodrejo v notranji prostor ogljikovega materiala, kar dodatno poveča gostoto in kohezivnost paste.
Oblikovanje: Oblikovanje ogljikovega materiala se nanaša na postopek plastičnega deformiranja zgnetene ogljikove paste pod vplivom zunanje sile, ki jo izvaja oprema za oblikovanje, da se končno oblikuje surov izdelek (ali izdelek) določene oblike, velikosti, gostote in trdnosti.
Vrste oblikovanja, oprema in proizvedeni izdelki:
Metoda oblikovanja
Skupna oprema
glavni izdelki
Kalupljenje
Vertikalna hidravlična stiskalnica
Električni ogljik, nizkokakovostni grafit z fino strukturo
Stisnite
Horizontalni hidravlični ekstruder
Vijačni ekstruder
Grafitna elektroda, kvadratna elektroda
Vibracijsko oblikovanje
Vibracijski stroj za oblikovanje
Aluminijasto-ogljična opeka, ogljična opeka iz visoke peči
Izostatično stiskanje
Izostatični stroj za oblikovanje
Izotropni grafit, anizotropni grafit
Stisnite operacijo
1 hladilni material: hladilni material za diske, hladilni material za valje, hladilni materiali za mešanje in gnetenje itd.
Izpustite hlapne snovi in znižajte temperaturo na primerno (90–120 °C), da povečate oprijem, tako da je blokovitost paste enakomerna 20–30 minut.
2 Nalaganje: dvigalo pritiska na pregrado —– 2-3-kratno rezanje —-4-10MPa zbijanje
3 predtlaki: tlak 20-25 MPa, čas 3-5 min, med sesanjem
4 ekstruzija: pregrado pritisnite navzdol — ekstruzija 5-15 MPa — izrežite — v hladilno korito
Tehnični parametri ekstrudiranja: kompresijsko razmerje, temperatura stiskalnice in šobe, temperatura hlajenja, čas prednapetosti, ekstruzijski tlak, hitrost ekstrudiranja, temperatura hladilne vode
Pregled surovega telesa: gostota v razsutem stanju, videz, analiza
Kalcinacija: To je postopek, pri katerem se surovi ogljikov produkt pod zaščito polnila napolni v posebej zasnovani ogrevalni peči, kjer se izvede visokotemperaturna toplotna obdelava za karbonizacijo premogove smole v surovem produktu. Bitumenski koks, ki nastane po karbonizaciji premogovega bitumna, strdi ogljikov agregat in delce prahu, kalcinirani ogljikov produkt pa ima visoko mehansko trdnost, nizko električno upornost, dobro toplotno in kemijsko stabilnost.
Kalcinacija je eden glavnih procesov pri proizvodnji ogljikovih izdelkov in je tudi pomemben del treh glavnih procesov toplotne obdelave pri proizvodnji grafitnih elektrod. Proizvodni cikel kalcinacije je dolg (22–30 dni za peko, 5–20 dni za peči za 2 peki) in ima večjo porabo energije. Kakovost zelenega praženja vpliva na kakovost končnega izdelka in stroške proizvodnje.
Med praženjem se smola zelenega premoga v zelenem telesu koksa, pri čemer se sprosti približno 10 % hlapnih snovi, prostornina pa se poveča zaradi 2–3 % krčenja, izguba mase pa znaša 8–10 %. Fizikalne in kemijske lastnosti ogljikovega gredica so se prav tako bistveno spremenile. Poroznost se je zmanjšala z 1,70 g/cm3 na 1,60 g/cm3, upornost pa se je zaradi povečane poroznosti zmanjšala z 10000 μΩ·m na 40–50 μΩ·m. Mehanska trdnost kalciniranega gredica je bila prav tako velika. Za izboljšanje.
Sekundarno pečenje je postopek, pri katerem se kalcinirani izdelek potopi in nato kalcinira, da se karbonizira smola, potopljena v pore kalciniranega izdelka. Elektrode, ki zahtevajo večjo gostoto v razsutem stanju (vse vrste razen RP), in spojni surovci morajo biti dvojno pečeni, spojni surovci pa so podvrženi tudi trikratnemu štirikratnemu pečenju ali dvokratnemu trikratnemu pečenju.
Glavna vrsta peči pražilnika:
Neprekinjeno delovanje – obročasta peč (s pokrovom, brez pokrova), tunelska peč
Prekinjeno delovanje – obratna peč, talna pražilna peč, pražilna peč v škatli
Kalcinacijska krivulja in najvišja temperatura:
Enkratno praženje – -320, 360, 422, 480 ur, 1250 °C
Sekundarno praženje – 125, 240, 280 ur, 700–800 °C
Pregled pečenih izdelkov: videz s tapkanjem, električna upornost, gostota v razsutem stanju, tlačna trdnost, analiza notranje strukture
Impregnacija je postopek, pri katerem se ogljikov material namesti v tlačno posodo, tekoča impregnacijska smola pa se pod določenimi temperaturnimi in tlačnimi pogoji potopi v pore elektrode izdelka. Namen je zmanjšati poroznost izdelka, povečati gostoto in mehansko trdnost izdelka ter izboljšati električno in toplotno prevodnost izdelka.
Postopek impregnacije in z njim povezani tehnični parametri so: praženje gredice – čiščenje površine – predgrevanje (260–380 °C, 6–10 ur) – polnjenje impregnacijskega rezervoarja – vakuumiranje (8–9 kPa, 40–50 min) – vbrizgavanje bitumna (180–200 °C) – tlak (1,2–1,5 MPa, 3–4 ure) – vračanje v asfalt – hlajenje (v ali zunaj rezervoarja)
Pregled impregniranih izdelkov: stopnja pridobivanja teže impregnacije G=(W2-W1)/W1×100%
Stopnja pridobivanja teže z enim pomakanjem ≥14 %
Stopnja pridobivanja teže sekundarno impregniranega izdelka ≥ 9 %
Stopnja pridobivanja teže treh izdelkov za namakanje ≥ 5 %
Grafitizacija se nanaša na postopek toplotne obdelave pri visokih temperaturah, pri katerem se ogljikov izdelek segreje na temperaturo 2300 °C ali več v zaščitnem mediju v visokotemperaturni električni peči, da se amorfna plastovita struktura ogljika pretvori v tridimenzionalno urejeno kristalno strukturo grafita.
Namen in učinek grafitizacije:
1 izboljša prevodnost in toplotno prevodnost ogljikovega materiala (upornost se zmanjša za 4-5-krat, toplotna prevodnost pa se poveča za približno 10-krat);
2 izboljšati odpornost proti toplotnim udarcem in kemijsko stabilnost ogljikovega materiala (koeficient linearnega raztezanja zmanjšan za 50–80 %);
3, da se ogljikovemu materialu zagotovi mazljivost in odpornost proti obrabi;
4 Nečistoče v izpušnih plinih, izboljšajo čistost ogljikovega materiala (vsebnost pepela v izdelku se zmanjša z 0,5-0,8 % na približno 0,3 %).
Realizacija procesa grafitizacije:
Grafitizacija ogljikovega materiala se izvaja pri visoki temperaturi 2300–3000 °C, zato jo je v industriji mogoče doseči le z električnim segrevanjem, kar pomeni, da tok neposredno teče skozi segret kalciniran izdelek, kalciniran izdelek, ki se vnese v peč, pa ustvarja električni tok pri visoki temperaturi. Prevodnik je spet predmet, ki se segreje na visoko temperaturo.
Med trenutno pogosto uporabljenimi peči so Achesonove peči za grafitizacijo in peči z notranjim segrevanjem (LWG). Prve imajo veliko izhodno moč, veliko temperaturno razliko in visoko porabo energije. Slednje imajo kratek čas segrevanja, nizko porabo energije, enakomerno električno upornost in niso primerne za vgradnjo.
Nadzor procesa grafitizacije se izvaja z merjenjem krivulje električne moči, ki je primerna za pogoje dviga temperature. Čas napajanja je 50–80 ur za peč Acheson in 9–15 ur za peč LWG.
Poraba energije pri grafitizaciji je zelo velika, običajno 3200-4800 kWh, stroški postopka pa predstavljajo približno 20-35 % celotnih proizvodnih stroškov.
Pregled grafitiziranih izdelkov: pregled videza, preizkus upornosti
Strojna obdelava: Namen mehanske obdelave ogljikovo-grafitnih materialov je doseči zahtevano velikost, obliko, natančnost itd. z rezanjem, da se telo elektrode in spoji izdelajo v skladu z zahtevami uporabe.
Obdelava grafitnih elektrod je razdeljena na dva neodvisna procesa obdelave: telo elektrode in spoj.
Obdelava telesa vključuje tri korake: vrtanje in grobo obdelavo ravne čelne ploskve, zunanjega kroga in ravne čelne ploskve ter rezkanje navoja. Obdelavo stožčastega spoja lahko razdelimo na 6 postopkov: rezanje, ravna čelna ploskev, stožčasta površina avtomobilskega spoja, rezkanje navoja, vrtanje vijakov in utorjenje.
Povezava elektrodnih spojev: stožčasta povezava (tri zaponke in ena zaponka), valjasta povezava, udarna povezava (moški in ženski priključek)
Nadzor natančnosti obdelave: odstopanje zožitve navoja, korak navoja, odstopanje velikega premera spoja (luknje), soosnost luknje spoja, navpičnost luknje spoja, ravnost čelne površine elektrode, odstopanje spoja v štirih točkah. Preverite s posebnimi obročastimi in ploščatimi merilniki.
Pregled končnih elektrod: natančnost, teža, dolžina, premer, gostota v razsutem stanju, upornost, toleranca pred montažo itd.
Čas objave: 31. oktober 2019