Grafitelektrod är ett högtemperaturbeständigt grafitledande material som produceras genom petroleumknådning, nålkoks som aggregat och kolbitumen som bindemedel, vilka produceras genom en serie processer såsom knådning, gjutning, rostning, impregnering, grafitisering och mekanisk bearbetning.
Grafitelektroden är ett viktigt högtemperaturledande material för elektrisk ståltillverkning. Grafitelektroden används för att mata in elektrisk energi i den elektriska ugnen, och den höga temperaturen som genereras av ljusbågen mellan elektrodänden och laddningen används som värmekälla för att smälta laddningen för ståltillverkning. Andra malmugnar som smälter material som gult fosfor, industriellt kisel och slipmedel använder också grafitelektroder som ledande material. De utmärkta och speciella fysikaliska och kemiska egenskaperna hos grafitelektroder används också i stor utsträckning inom andra industrisektorer.
Råmaterialen för produktion av grafitelektroder är petroleumkoks, nålkoks och koltjära.
Petroleumkoks är en brandfarlig fast produkt som erhålls genom koksning av kolrester och petroleumbeck. Färgen är svart och porös, huvudämnet är kol och askhalten är mycket låg, vanligtvis under 0,5 %. Petroleumkoks tillhör klassen av lättgrafitiserbart kol. Petroleumkoks har ett brett användningsområde inom kemisk och metallurgisk industri. Det är det viktigaste råmaterialet för att producera konstgjorda grafitprodukter och kolprodukter för elektrolytiskt aluminium.
Petroleumkoks kan delas in i två typer: råkoks och kalcinerad koks beroende på värmebehandlingstemperaturen. Den tidigare petroleumkoksen som erhålls genom fördröjd koksning innehåller en stor mängd flyktiga ämnen och den mekaniska hållfastheten är låg. Kalcinerad koks erhålls genom kalcinering av råkoks. De flesta raffinaderier i Kina producerar endast koks, och kalcineringsoperationerna utförs mestadels i koldioxidanläggningar.
Petroleumkoks kan delas in i koks med hög svavelhalt (innehåller mer än 1,5 % svavel), koks med medelhög svavelhalt (innehåller 0,5–1,5 % svavel) och koks med låg svavelhalt (innehåller mindre än 0,5 % svavel). Produktionen av grafitelektroder och andra artificiella grafitprodukter sker vanligtvis med koks med låg svavelhalt.
Nålkoks är en typ av högkvalitativ koks med tydlig fiberstruktur, mycket låg värmeutvidgningskoefficient och enkel grafitisering. När koksen bryts kan den delas upp i smala remsor beroende på textur (bildförhållandet är vanligtvis över 1,75). En anisotropisk fiberstruktur kan observeras under ett polarisationsmikroskop och kallas därför nålkoks.
Nålkoksens anisotropi i fysikalisk-mekaniska egenskaper är mycket uppenbar. Den har god elektrisk och termisk ledningsförmåga parallellt med partikelns långaxelriktning, och värmeutvidgningskoefficienten är låg. Vid extruderingsgjutning är den långa axeln för de flesta partiklar anordnad i extruderingsriktningen. Därför är nålkoks det viktigaste råmaterialet för tillverkning av högeffekts- eller ultrahögeffektsgrafitelektroder. Den producerade grafitelektroden har låg resistivitet, liten värmeutvidgningskoefficient och god termisk chockbeständighet.
Nålkoks delas in i oljebaserad nålkoks framställd från petroleumrester och kolbaserad nålkoks framställd från raffinerade kolbeckråvaror.
Stenkolstjära är en av huvudprodukterna vid djupbearbetning av stenkolstjära. Det är en blandning av olika kolväten, svart vid hög temperatur, halvfast eller fast vid hög temperatur, utan fast smältpunkt, mjukas upp efter uppvärmning och smälts sedan, med en densitet på 1,25-1,35 g/cm3. Beroende på mjukningspunkten delas den in i lågtemperatur-, medeltemperatur- och högtemperaturasfalt. Utbytet av medeltemperaturasfalt är 54-56 % av stenkolstjäran. Stenkolstjärans sammansättning är extremt komplicerad, relaterad till stenkolstjärans egenskaper och innehållet av heteroatomer, och påverkas också av koksningsprocessystemet och bearbetningsförhållandena för stenkolstjäran. Det finns många indikatorer för att karakterisera stenkolstjärbeck, såsom bitumenmjukningspunkt, toluenolösliga ämnen (TI), kinolinolösliga ämnen (QI), koksningsvärden och stenkolstjärreologi.
Stenkolstjära används som bindemedel och impregneringsmedel inom kolindustrin, och dess prestanda har stor inverkan på produktionsprocessen och produktkvaliteten för kolprodukter. Bindemasfalten använder vanligtvis en medeltemperatur- eller medeltemperaturmodifierad asfalt med måttlig mjukningspunkt, högt koksningsvärde och högt β-harts. Impregneringsmedlet är en medeltemperaturasfalt med låg mjukningspunkt, låg kvalitetskontroll och goda reologiska egenskaper.
Följande bild visar produktionsprocessen för grafitelektroder i kolfiberföretag.
Kalcinering: Det kolhaltiga råmaterialet värmebehandlas vid hög temperatur för att avlägsna fukt och flyktiga ämnen som finns däri, och produktionsprocessen som motsvarar förbättringen av den ursprungliga tillagningsprestandan kallas kalcinering. Generellt sett kalcineras det kolhaltiga råmaterialet med hjälp av gas och dess egna flyktiga ämnen som värmekälla, och den maximala temperaturen är 1250-1350 °C.
Kalcinering medför djupgående förändringar i strukturen och de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos kolhaltiga råmaterial, främst genom att förbättra koksens densitet, mekaniska hållfasthet och elektriska ledningsförmåga, vilket förbättrar koksens kemiska stabilitet och oxidationsbeständighet, vilket lägger grunden för den efterföljande processen.
Kalcinerad utrustning omfattar huvudsakligen tankkalcinerare, roterugnar och elektriska kalcinerare. Kvalitetskontrollindexet för kalcinering är att den verkliga densiteten hos petroleumkoks inte är mindre än 2,07 g/cm3, resistiviteten inte är mer än 550 μΩ.m, den verkliga densiteten hos nålkoks inte är mindre än 2,12 g/cm3 och resistiviteten inte är mer än 500 μΩ.m.
Råmaterialkrossning och ingredienser
Före blandningen måste den kalcinerade petroleumkoksen och nålkoksen i bulk krossas, malas och siktas.
Medelkrossningen utförs vanligtvis med krossutrustning på cirka 50 mm genom en käftkross, en hammarkross, en valskross och liknande för att ytterligare krossa det material med en storlek på 0,5-20 mm som krävs för blandningen.
Malning är en process där man maler ett kolhaltigt material till en pulverformig liten partikel på 0,15 mm eller mindre och en partikelstorlek på 0,075 mm eller mindre med hjälp av en ringvalskvarn av suspensionstyp (Raymond-kvarn), en kulkvarn eller liknande.
Siktning är en process där ett brett spektrum av material efter krossning delas upp i flera partikelstorleksintervall med ett smalt storleksintervall genom en serie siktar med enhetliga öppningar. Nuvarande elektrodproduktion kräver vanligtvis 4–5 pellets och 1–2 pulverkvaliteter.
Ingredienser är produktionsprocesserna för att beräkna, väga och fokusera de olika aggregaten av aggregat, pulver och bindemedel enligt formuleringskraven. Formuleringens vetenskapliga lämplighet och stabiliteten i batchprocessen är bland de viktigaste faktorerna som påverkar produktens kvalitetsindex och prestanda.
Formeln behöver fastställa 5 aspekter:
1Välj typ av råmaterial;
2 bestämma andelen av olika typer av råvaror;
3 bestämning av partikelstorlekssammansättningen hos det fasta råmaterialet;
4 bestäm mängden bindemedel;
5 Bestäm typ och mängd av tillsatser.
Knådning: Blandning och kvantifiering av kolhaltiga granuler och pulver med olika partikelstorlekar med en viss mängd bindemedel vid en viss temperatur, och knådning av plasticitetspastan i en process som kallas knådning.
Knådningsprocess: torrblandning (20–35 min) våtblandning (40–55 min)
Knådningens roll:
1 Vid torrblandning blandas de olika råmaterialen jämnt, och de fasta kolhaltiga materialen med olika partikelstorlekar blandas och fylls jämnt för att förbättra blandningens kompakthet;
2 Efter tillsats av stenkolstjära blandas det torra materialet och asfalten jämnt. Den flytande asfalten täcker och fuktar ytan på granulerna jämnt för att bilda ett lager av asfaltbindande lager, och alla material binds till varandra för att bilda en homogen plastisk utstrykning. Bidrar till gjutning;
3 delar stenkolstjära tränger in i det kolhaltiga materialets inre utrymme, vilket ytterligare ökar pastans densitet och kohesivitet.
Gjutning: Gjutning av kolmaterial avser processen att plastiskt deformera den knådade kolpastan under den yttre kraft som appliceras av gjutningsutrustningen för att slutligen bilda en grön kropp (eller råprodukt) med en viss form, storlek, densitet och hållfasthet.
Typer av gjutning, utrustning och producerade produkter:
Gjutningsmetod
Vanlig utrustning
huvudprodukter
Gjutning
Vertikal hydraulisk press
Elektrisk kol, låggradig finstrukturgrafit
Pressa
Horisontell hydraulisk extruder
Skruvextruder
Grafitelektrod, fyrkantig elektrod
Vibrationsgjutning
Vibrationsgjutningsmaskin
Aluminiumkolsten, kolsten i masugn
Isostatisk pressning
Isostatisk gjutmaskin
Isotropisk grafit, anisotropisk grafit
Klämfunktion
1. Kylmaterial: kylmaterial för skivor, kylmaterial för cylinder, kylmaterial för blandning och knådning etc.
Avlägsna de flyktiga ämnena, sänk temperaturen till lämplig (90-120 °C) för att öka vidhäftningen, så att pastans blockighet är jämn i 20-30 minuter.
2 Lastning: tryck lyftbaffeln —– 2–3 gånger sågning —– 4–10 MPa komprimering
3 förtryck: tryck 20-25 MPa, tid 3-5 min, under dammsugning
4. extrudering: tryck ner baffeln — 5–15 MPa extrudering — skär — in i kylflänsen
Tekniska parametrar för extrudering: kompressionsförhållande, presskammar- och munstyckstemperatur, kyltemperatur, förspänningstid, extruderingstryck, extruderingshastighet, kylvattentemperatur
Inspektion av grönt karosseri: bulkdensitet, utseende, tappning
Kalcinering: Det är en process där kolproduktens grönkropp fylls i en specialdesignad uppvärmningsugn under skydd av fyllmedlet för att utföra högtemperaturvärmebehandling för att karbonisera kolbecket i grönkroppen. Bitumenkoksen som bildas efter karboniseringen av kolbitumenet stelnar det kolhaltiga aggregatet och pulverpartiklarna tillsammans, och den kalcinerade kolprodukten har hög mekanisk hållfasthet, låg elektrisk resistivitet, god termisk stabilitet och kemisk stabilitet.
Kalcinering är en av huvudprocesserna vid produktion av kolprodukter och är också en viktig del av de tre huvudsakliga värmebehandlingsprocesserna vid tillverkning av grafitelektroder. Kalcineringscykeln är lång (22–30 dagar för bakning, 5–20 dagar för ugnar för 2 bakningar) och har högre energiförbrukning. Kvaliteten på grön rostning påverkar den färdiga produktens kvalitet och produktionskostnaden.
Grönt kolbeck i råmaterialet kokas under rostningsprocessen, och cirka 10 % av det flyktiga materialet avges, och volymen produceras genom 2–3 % krympning, och massförlusten är 8–10 %. De fysikaliska och kemiska egenskaperna hos kolämnet förändrades också avsevärt. Porositeten minskade från 1,70 g/cm3 till 1,60 g/cm3 och resistiviteten minskade från 10 000 μΩ·m till 40–50 μΩ·m på grund av den ökade porositeten. Den mekaniska hållfastheten hos det kalcinerade ämnet var också stor. För förbättring.
Sekundärhärdning är en process där den kalcinerade produkten doppas i botten och sedan kalcineras för att karbonisera becket som är nedsänkt i porerna i den kalcinerade produkten. Elektroder som kräver högre bulkdensitet (alla varianter utom RP) och skarvämnen måste dubbelhärdas, och skarvämnen utsätts också för tre-doppnings-fyr-härdning eller två-doppnings-tre-härdning.
Huvudugnstyp av rostningsanläggning:
Kontinuerlig drift - ringugn (med lock, utan lock), tunnelugn
Intermittent drift —- omvänd ugn, rostningsugn under golvet, lådrostningsugn
Kalcineringskurva och maximal temperatur:
Engångsrostning —- 320, 360, 422, 480 timmar, 1250 °C
Sekundärrostning —-125, 240, 280 timmar, 700–800 °C
Inspektion av bakade produkter: utseende, tappning, elektrisk resistivitet, skrymdensitet, tryckhållfasthet, analys av inre struktur
Impregnering är en process där ett kolmaterial placeras i ett tryckkärl och det flytande impregneringsbecket nedsänks i produktelektrodens porer under vissa temperatur- och tryckförhållanden. Syftet är att minska produktens porositet, öka produktens skrymdensitet och mekaniska hållfasthet samt förbättra produktens elektriska och termiska ledningsförmåga.
Impregneringsprocessen och relaterade tekniska parametrar är: rostning av bitumen – ytrengöring – förvärmning (260–380 °C, 6–10 timmar) – lastning av impregneringstanken – dammsugning (8–9 kPa, 40–50 min) – injektion av bitumen (180–200 °C) – trycksättning (1,2–1,5 MPa, 3–4 timmar) – återföring till asfalten – kylning (inuti eller utanför tanken)
Inspektion av impregnerade produkter: impregneringsviktökning G=(W2-W1)/W1×100%
Viktökning vid doppning ≥14 %
Viktökning för sekundärimpregnerad produkt ≥ 9 %
Tre doppningsprodukters viktökning ≥ 5%
Grafitisering avser en högtemperaturvärmebehandlingsprocess där en kolprodukt upphettas till en temperatur av 2300 °C eller mer i ett skyddande medium i en högtemperaturugn för att omvandla en amorf skiktad kolstruktur till en tredimensionell ordnad grafitkristallstruktur.
Syftet och effekten av grafitisering:
1 förbättra kolmaterialets konduktivitet och värmeledningsförmåga (resistiviteten minskas med 4-5 gånger och värmeledningsförmågan ökas med cirka 10 gånger);
2 förbättrar kolmaterialets termiska chockmotstånd och kemiska stabilitet (linjär expansionskoefficient minskad med 50-80%);
3 för att göra kolmaterialet smörjbeständigt och slitstarkt;
4 Avgasföroreningar, förbättra kolmaterialets renhet (produktens askhalt minskas från 0,5–0,8 % till cirka 0,3 %).
Genomförandet av grafitiseringsprocessen:
Grafitiseringen av kolmaterial utförs vid en hög temperatur på 2300-3000 °C, så det kan endast genomföras genom elektrisk uppvärmning inom industrin, det vill säga att strömmen passerar direkt genom den uppvärmda kalcinerade produkten, och den kalcinerade produkten som laddas i ugnen genereras av den elektriska strömmen vid en hög temperatur. Ledaren är återigen ett objekt som värms upp till en hög temperatur.
Bland de ugnar som för närvarande används i stor utsträckning finns Acheson-grafitiseringsugnar och interna värmekaskadugnar (LWG). Den förra har stor effekt, stor temperaturskillnad och hög strömförbrukning. Den senare har kort uppvärmningstid, låg strömförbrukning, jämn elektrisk resistivitet och är inte lämplig för montering.
Styrningen av grafitiseringsprocessen styrs genom att mäta den elektriska effektkurvan som är lämplig för temperaturökningsförhållandena. Strömförsörjningstiden är 50–80 timmar för Acheson-ugnen och 9–15 timmar för LWG-ugnen.
Energiförbrukningen vid grafitisering är mycket stor, generellt 3200–4800 kWh, och processkostnaden står för cirka 20–35 % av den totala produktionskostnaden.
Inspektion av grafiterade produkter: utseendet på tappning, resistivitetstest
Bearbetning: Syftet med mekanisk bearbetning av kolgrafitmaterial är att uppnå önskad storlek, form, precision etc. genom att skära för att tillverka elektrodkroppen och fogarna i enlighet med användningskraven.
Bearbetning av grafitelektroder är uppdelad i två oberoende bearbetningsprocesser: elektrodkropp och skarv.
Kroppsbearbetningen omfattar tre steg: borrning och grovfräsning av plan ändyta, yttre cirkel och plan ändyta samt fräsning av gänga. Bearbetningen av koniska förband kan delas in i sex processer: skärning, plan ändyta, bilkonyta, fräsning av gänga, borrning av bultar och spårfräsning.
Anslutning av elektrodkopplingar: konisk kopplingsanslutning (tre spännen och ett spänne), cylindrisk kopplingsanslutning, bumpkoppling (hane- och honkoppling)
Kontroll av bearbetningsnoggrannhet: gängkonavvikelse, gängstigning, avvikelse för stor diameter hos fog (hål), koaxialitet hos foghålet, vertikalitet hos foghålet, elektrodens ändyta plan, fyrpunktsavvikelse hos fogarna. Kontrollera med speciella ringmätare och plattmätare.
Inspektion av färdiga elektroder: noggrannhet, vikt, längd, diameter, skrymdensitet, resistivitet, tolerans före montering etc.
Publiceringstid: 31 oktober 2019