Grafit elektrot, petrol atığı, iğne koku ve bağlayıcı olarak kömür bitümü kullanılarak, yoğurma, kalıplama, kavurma, emprenye, grafitizasyon ve mekanik işleme gibi bir dizi işlemden geçirilerek üretilen, yüksek sıcaklığa dayanıklı bir grafit iletken malzemedir.
Grafit elektrot, elektrikli çelik üretiminde önemli bir yüksek sıcaklık iletken malzemesidir. Grafit elektrot, elektrikli fırına elektrik enerjisi girişi sağlamak için kullanılır ve elektrot ucu ile malzeme arasında oluşan ark tarafından üretilen yüksek sıcaklık, çelik üretimi için malzemenin eritilmesinde ısı kaynağı olarak kullanılır. Sarı fosfor, endüstriyel silikon ve aşındırıcılar gibi malzemelerin eritildiği diğer cevher fırınları da iletken malzeme olarak grafit elektrot kullanır. Grafit elektrotların mükemmel ve özel fiziksel ve kimyasal özellikleri, diğer endüstriyel sektörlerde de yaygın olarak kullanılmaktadır.
Grafit elektrot üretiminde kullanılan ham maddeler petrol koku, iğne koku ve kömür katranıdır.
Petrol koku, kok kömürü kalıntısı ve petrol ziftinin işlenmesiyle elde edilen yanıcı bir katı üründür. Rengi siyah ve gözeneklidir, ana elementi karbondur ve kül içeriği çok düşüktür, genellikle %0,5'in altındadır. Petrol koku, kolayca grafitlenebilen karbon sınıfına aittir. Petrol koku, kimya ve metalurji endüstrilerinde geniş bir kullanım alanına sahiptir. Yapay grafit ürünleri ve elektrolitik alüminyum için karbon ürünleri üretiminde ana hammaddedir.
Petrol koku, ısıl işlem sıcaklığına göre iki tipe ayrılabilir: ham kok ve kalsine kok. Gecikmeli koklaştırma ile elde edilen ham petrol koku, yüksek miktarda uçucu madde içerir ve mekanik dayanımı düşüktür. Kalsine kok ise ham kokun kalsinasyonu ile elde edilir. Çin'deki rafinerilerin çoğu sadece kok üretir ve kalsinasyon işlemleri çoğunlukla karbon tesislerinde gerçekleştirilir.
Petrol koku, yüksek kükürtlü kok (%1,5'ten fazla kükürt içeren), orta kükürtlü kok (%0,5-%1,5 kükürt içeren) ve düşük kükürtlü kok (%0,5'ten az kükürt içeren) olmak üzere üç kategoriye ayrılır. Grafit elektrotların ve diğer yapay grafit ürünlerinin üretimi genellikle düşük kükürtlü kok kullanılarak gerçekleştirilir.
İğne kok, belirgin lifli dokusu, çok düşük termal genleşme katsayısı ve kolay grafitizasyonu ile öne çıkan yüksek kaliteli bir kok türüdür. Kok kırıldığında, dokusuna göre ince şeritlere ayrılabilir (en boy oranı genellikle 1,75'in üzerindedir). Polarize mikroskop altında anizotropik bir lifli yapı gözlemlenebilir ve bu nedenle iğne kok olarak adlandırılır.
İğne kokunun fiziko-mekanik özelliklerinin anizotropisi oldukça belirgindir. Parçacığın uzun eksen yönüne paralel olarak iyi elektriksel ve termal iletkenliğe sahiptir ve termal genleşme katsayısı düşüktür. Ekstrüzyon kalıplama sırasında, parçacıkların çoğunun uzun ekseni ekstrüzyon yönünde düzenlenir. Bu nedenle, iğne koku yüksek güçlü veya ultra yüksek güçlü grafit elektrotların üretiminde ana hammaddedir. Üretilen grafit elektrot düşük özdirenç, küçük termal genleşme katsayısı ve iyi termal şok direncine sahiptir.
İğne kok, petrol atığından üretilen petrol bazlı iğne kok ve rafine edilmiş kömür zifti hammaddesinden üretilen kömür bazlı iğne kok olmak üzere ikiye ayrılır.
Kömür katranı, kömür katranının derin işlenmesinin ana ürünlerinden biridir. Çeşitli hidrokarbonların karışımıdır, yüksek sıcaklıkta siyahtır, yüksek sıcaklıkta yarı katı veya katıdır, sabit bir erime noktası yoktur, ısıtıldıktan sonra yumuşar ve daha sonra erir, yoğunluğu 1,25-1,35 g/cm³'tür. Yumuşama noktasına göre düşük sıcaklık, orta sıcaklık ve yüksek sıcaklık asfaltı olarak sınıflandırılır. Orta sıcaklık asfaltının verimi %54-56 kömür katranından oluşur. Kömür katranının bileşimi son derece karmaşıktır ve kömür katranının özellikleri ve heteroatom içeriğiyle ilgilidir, ayrıca koklaştırma proses sistemi ve kömür katranı işleme koşullarından da etkilenir. Kömür katranı ziftini karakterize etmek için birçok gösterge vardır, bunlar arasında bitüm yumuşama noktası, toluen çözünmezleri (TI), kinolin çözünmezleri (QI), koklaştırma değerleri ve kömür zifti reolojisi bulunur.
Kömür katranı, karbon endüstrisinde bağlayıcı ve emprenye edici olarak kullanılır ve performansı, karbon ürünlerinin üretim süreci ve ürün kalitesi üzerinde büyük etkiye sahiptir. Bağlayıcı asfalt genellikle orta derecede yumuşama noktasına, yüksek koklaşma değerine ve yüksek β reçinesine sahip orta sıcaklıkta veya orta sıcaklıkta modifiye edilmiş bir asfalttır. Emprenye edici madde ise düşük yumuşama noktasına, düşük QI değerine ve iyi reolojik özelliklere sahip orta sıcaklıkta bir asfalttır.
Aşağıdaki resim, karbon işletmesinde grafit elektrot üretim sürecini göstermektedir.
Kalsinasyon: Karbonlu ham madde, içerdiği nem ve uçucu maddeleri uzaklaştırmak için yüksek sıcaklıkta ısıl işlemden geçirilir ve orijinal pişirme performansının iyileştirilmesine karşılık gelen üretim sürecine kalsinasyon denir. Genellikle, karbonlu ham madde, ısı kaynağı olarak gaz ve kendi uçucu maddeleri kullanılarak kalsine edilir ve maksimum sıcaklık 1250-1350 °C'dir.
Kalsinasyon, karbonlu ham maddelerin yapısında ve fizikokimyasal özelliklerinde önemli değişikliklere yol açar; özellikle kokun yoğunluğunu, mekanik dayanımını ve elektriksel iletkenliğini artırır, kokun kimyasal stabilitesini ve oksidasyon direncini iyileştirir ve sonraki işlemler için temel oluşturur.
Kalsinasyon ekipmanları başlıca tank kalsinatörü, döner fırın ve elektrikli kalsinatörü içerir. Kalsinasyonun kalite kontrol endeksi, petrol kokunun gerçek yoğunluğunun 2,07 g/cm³'ten az olmaması, özdirencin 550 μΩ.m'den fazla olmaması; iğne kokunun gerçek yoğunluğunun 2,12 g/cm³'ten az olmaması ve özdirencin 500 μΩ.m'den fazla olmamasıdır.
Ham madde kırma ve bileşenler
Karışıma başlamadan önce, kalsine edilmiş petrol koku ve iğne kokunun büyük miktarları ezilmeli, öğütülmeli ve elenmelidir.
Orta büyüklükteki kırma işlemi genellikle çeneli kırıcı, çekiçli kırıcı, silindirli kırıcı ve benzeri ekipmanlar kullanılarak yaklaşık 50 mm'lik parçalara ayrılır ve bu sayede dozajlama için gerekli olan 0,5-20 mm boyutundaki malzeme daha da kırılır.
Öğütme, karbonlu bir malzemenin, askı tipi halkalı silindirli değirmen (Raymond değirmeni), bilyalı değirmen veya benzeri bir alet vasıtasıyla 0,15 mm veya daha küçük toz halindeki küçük parçacıklara ve 0,075 mm veya daha küçük partikül boyutuna kadar öğütülmesi işlemidir.
Eleme, çok çeşitli malzemelerin ezildikten sonra, düzgün açıklıklara sahip bir dizi elek aracılığıyla dar bir boyut aralığına sahip çeşitli parçacık boyutu aralıklarına ayrıldığı bir işlemdir. Mevcut elektrot üretimi genellikle 4-5 pelet ve 1-2 toz kalitesi gerektirir.
Bileşenler, formülasyon gereksinimlerine göre çeşitli agregaların, tozların ve bağlayıcıların hesaplanması, tartılması ve konsantre edilmesi için yapılan üretim süreçleridir. Formülasyonun bilimsel uygunluğu ve üretim sürecinin istikrarlılığı, ürünün kalite endeksi ve performansını etkileyen en önemli faktörler arasındadır.
Formülün 5 unsuru belirlemesi gerekiyor:
1. Hammadde türünü seçin;
2. Farklı türdeki hammaddelerin oranını belirlemek;
3. Katı ham maddenin parçacık boyutu bileşiminin belirlenmesi;
4. Bağlayıcı madde miktarını belirleyin;
5. Katkı maddelerinin türünü ve miktarını belirleyin.
Yoğurma: Çeşitli partikül boyutlarındaki karbonlu granül ve tozların belirli bir miktarda bağlayıcı maddeyle belirli bir sıcaklıkta karıştırılması ve elde edilen plastik hamurun yoğurulması işlemidir.
Yoğurma işlemi: kuru karıştırma (20-35 dk) ıslak karıştırma (40-55 dk)
Yoğurma işleminin rolü:
1. Kuru karıştırma işleminde, çeşitli ham maddeler homojen bir şekilde karıştırılır ve farklı partikül boyutlarındaki katı karbonlu malzemeler homojen bir şekilde karıştırılıp doldurularak karışımın yoğunluğu artırılır;
2. Kömür katranı eklendikten sonra, kuru malzeme ve asfalt homojen bir şekilde karıştırılır. Sıvı asfalt, granüllerin yüzeyini homojen bir şekilde kaplar ve ıslatarak bir asfalt bağlayıcı tabaka oluşturur ve tüm malzemeler birbirine bağlanarak homojen bir plastik kaplama oluşturur. Bu da kalıplamaya elverişlidir.
Kömür katranının 3 kısmı karbonlu malzemenin iç boşluğuna nüfuz ederek macunun yoğunluğunu ve yapışkanlığını daha da artırır.
Kalıplama: Karbon malzemenin kalıplanması, yoğrulmuş karbon hamurunun, kalıplama ekipmanı tarafından uygulanan dış kuvvet altında plastik olarak deforme edilerek, belirli bir şekil, boyut, yoğunluk ve mukavemete sahip ham bir gövde (veya hammadde) oluşturma sürecini ifade eder.
Üretilen kalıplama yöntemleri, ekipmanlar ve ürünler:
Kalıplama yöntemi
Genel ekipman
ana ürünler
Kalıplama
Dikey hidrolik pres
Elektrikli karbon, düşük kaliteli ince yapılı grafit
Sıkmak
Yatay hidrolik ekstrüder
Vidalı ekstrüder
Grafit elektrot, kare elektrot
Titreşimli kalıplama
Titreşimli kalıplama makinesi
Alüminyum karbon tuğla, yüksek fırın karbon tuğla
İzostatik presleme
İzostatik kalıplama makinesi
İzotropik grafit, anizotropik grafit
Sıkıştırma işlemi
1. Soğutma malzemesi: Disk soğutma malzemesi, silindir soğutma malzemesi, karıştırma ve yoğurma soğutma malzemeleri vb.
Uçucu maddeleri uzaklaştırın, yapışmayı artırmak için uygun bir sıcaklığa (90-120 °C) düşürün, böylece macunun bloklu yapısı 20-30 dakika boyunca homojen hale gelsin.
2 Yükleme: Kaldırma bölmesini bastırın —– 2-3 kez kesme —- 4-10 MPa sıkıştırma
3. Ön basınç: 20-25 MPa basınç, 3-5 dakika süre, vakumlama sırasında.
4. Ekstrüzyon: Bölmeyi aşağı doğru bastırın —5-15 MPa ekstrüzyon— kesme işlemi — soğutma haznesine yerleştirin.
Ekstrüzyonun teknik parametreleri: sıkıştırma oranı, pres haznesi ve nozul sıcaklığı, soğutma sıcaklığı, ön yükleme basınç süresi, ekstrüzyon basıncı, ekstrüzyon hızı, soğutma suyu sıcaklığı.
Yeşil gövde muayenesi: hacim yoğunluğu, görünüm tespiti, analiz
Kalsinasyon: Bu işlemde, karbon ürünü ham maddesi, dolgu maddesinin koruması altında özel olarak tasarlanmış bir ısıtma fırınına yerleştirilir ve ham maddedeki kömür ziftinin karbonlaştırılması için yüksek sıcaklıkta ısıl işlem uygulanır. Kömür bitümünün karbonlaştırılmasından sonra oluşan bitüm kok, karbonlu agregaları ve toz parçacıklarını bir araya getirerek katılaştırır ve kalsine edilmiş karbon ürünü yüksek mekanik dayanım, düşük elektriksel direnç, iyi termal ve kimyasal kararlılığa sahiptir.
Kalsinasyon, karbon ürünlerinin üretimindeki ana süreçlerden biridir ve aynı zamanda grafit elektrot üretiminin üç ana ısıl işlem sürecinin önemli bir parçasıdır. Kalsinasyon üretim döngüsü uzundur (fırınlama için 22-30 gün, 2 fırınlama için 5-20 gün) ve daha yüksek enerji tüketimine sahiptir. Yeşil fırınlamanın kalitesi, nihai ürünün kalitesini ve üretim maliyetini etkiler.
Yeşil kömür gövdesindeki yeşil zift, kavurma işlemi sırasında koklaşır ve uçucu maddenin yaklaşık %10'u dışarı atılır; hacimde %2-3'lük bir küçülme ve %8-10'luk bir kütle kaybı meydana gelir. Karbon kütüğünün fiziksel ve kimyasal özellikleri de önemli ölçüde değişir. Gözeneklilik 1,70 g/cm³'ten 1,60 g/cm³'e, özdirenç ise 10000 μΩ·m'den 40-50 μΩ·m'ye düşer. Kalsine edilmiş kütüğün mekanik dayanımı da yüksektir. İyileştirme için...
İkincil fırınlama, kalsine edilmiş ürünün daldırılıp ardından kalsine edilerek, kalsine edilmiş ürünün gözeneklerinde bulunan ziftin karbonlaştırılması işlemidir. Daha yüksek hacim yoğunluğu gerektiren elektrotlar (RP hariç tüm çeşitler) ve bağlantı boşlukları çift fırınlamaya tabi tutulur ve bağlantı boşlukları ayrıca üç daldırma dört fırınlama veya iki daldırma üç fırınlama işlemine de tabi tutulur.
Ana fırın tipi kavurma makinesi:
Sürekli çalışma—halka fırın (kapaklı, kapaksız), tünel fırın
Aralıklı çalışma — ters fırın, zemin altı kavurma fırını, kutu tipi kavurma fırını
Kalsinasyon eğrisi ve maksimum sıcaklık:
Tek seferlik kavurma—320, 360, 422, 480 saat, 1250 °C
İkinci kavurma—125, 240, 280 saat, 700-800 °C
Fırınlanmış ürünlerin incelenmesi: görünüm testi, elektriksel direnç, yoğunluk, basınç dayanımı, iç yapı analizi
Emprenye, bir karbon malzemenin basınçlı bir kaba yerleştirildiği ve belirli sıcaklık ve basınç koşulları altında sıvı emprenye maddesi olan ziftin ürün elektrotunun gözeneklerine daldırıldığı bir işlemdir. Amaç, ürünün gözenekliliğini azaltmak, ürünün yoğunluğunu ve mekanik dayanımını artırmak ve ürünün elektriksel ve termal iletkenliğini iyileştirmektir.
Emprenye işlemi ve ilgili teknik parametreler şunlardır: kütüğün kavrulması – yüzey temizliği – ön ısıtma (260-380 °C, 6-10 saat) – emprenye tankına yükleme – vakumlama (8-9 kPa, 40-50 dk) – bitüm enjeksiyonu (180-200 °C) – basınçlandırma (1,2-1,5 MPa, 3-4 saat) – asfalta geri dönüş – soğutma (tankın içinde veya dışında).
Emprenye edilmiş ürünlerin incelenmesi: Emprenye ağırlık artış oranı G=(W2-W1)/W1×100%
Kilo alma oranında %14'ün üzerinde düşüş gözlemlendi.
İkincil emprenye edilmiş ürünün ağırlık artış oranı ≥ %9
Üç daldırma ürününün ağırlık artış oranı ≥ %5
Grafitizasyon, amorf katmanlı bir yapıya sahip karbonun, yüksek sıcaklıkta çalışan bir elektrikli fırında koruyucu bir ortamda 2300 °C veya daha yüksek bir sıcaklığa ısıtılarak üç boyutlu, düzenli bir grafit kristal yapısına dönüştürüldüğü yüksek sıcaklıkta bir ısıl işlem sürecini ifade eder.
Grafitizasyonun amacı ve etkisi:
1. Karbon malzemenin iletkenliğini ve ısı iletkenliğini iyileştirir (direnç 4-5 kat azalır ve ısı iletkenliği yaklaşık 10 kat artar);
2. Karbon malzemenin termal şok direncini ve kimyasal kararlılığını iyileştirir (doğrusal genleşme katsayısı %50-80 oranında azalır);
3. Karbon malzemenin kayganlığını ve aşınma direncini artırmak;
4. Egzozdaki safsızlıkları giderir, karbon malzemenin saflığını artırır (ürünün kül içeriği %0,5-0,8'den yaklaşık %0,3'e düşer).
Grafitizasyon sürecinin gerçekleştirilmesi:
Karbon malzemenin grafitizasyonu 2300-3000 °C gibi yüksek bir sıcaklıkta gerçekleştirildiğinden, endüstride yalnızca elektrikli ısıtma ile gerçekleştirilebilir; yani, akım doğrudan ısıtılmış kalsine üründen geçer ve fırına yüklenen kalsine ürün, yüksek sıcaklıkta elektrik akımı ile iletken hale getirilir. İletken, yüksek sıcaklığa ısıtılan bir nesnedir.
Günümüzde yaygın olarak kullanılan fırınlar arasında Acheson grafitizasyon fırınları ve iç ısı kademesi (LWG) fırınları bulunmaktadır. İlki yüksek çıkış gücüne, büyük sıcaklık farkına ve yüksek güç tüketimine sahiptir. İkincisi ise kısa ısıtma süresine, düşük güç tüketimine, homojen elektriksel dirence sahiptir ve montaj için uygun değildir.
Grafitizasyon sürecinin kontrolü, sıcaklık artış koşuluna uygun elektrik güç eğrisinin ölçülmesiyle sağlanır. Güç kaynağı süresi, Acheson fırını için 50-80 saat, LWG fırını için ise 9-15 saattir.
Grafitizasyon işleminin enerji tüketimi oldukça yüksektir, genellikle 3200-4800 kWh civarındadır ve işlem maliyeti toplam üretim maliyetinin yaklaşık %20-35'ini oluşturur.
Grafitlenmiş ürünlerin incelenmesi: görünüm testi, direnç testi
İşleme: Karbon grafit malzemelerin mekanik olarak işlenmesinin amacı, elektrot gövdesini ve bağlantı noktalarını kullanım gereksinimlerine uygun hale getirmek için kesme yoluyla istenen boyut, şekil, hassasiyet vb. özelliklere ulaşmaktır.
Grafit elektrot işleme, elektrot gövdesi ve bağlantı noktası olmak üzere iki bağımsız işleme sürecine ayrılır.
Gövde işlemesi, delme ve kaba düz uç yüzey, dış daire ve düz uç yüzey ve frezeleme diş açma olmak üzere üç aşamadan oluşur. Konik bağlantının işlenmesi ise 6 aşamaya ayrılabilir: kesme, düz uç yüzey, konik yüzey, frezeleme diş açma, delme cıvatası ve kanal açma.
Elektrot bağlantılarının şekli: konik bağlantı (üç tokalı ve bir tokalı), silindirik bağlantı, çıkıntılı bağlantı (erkek ve dişi bağlantı).
İşleme hassasiyetinin kontrolü: diş konikliği sapması, diş adımı, bağlantı (delik) büyük çap sapması, bağlantı deliği eş eksenliliği, bağlantı deliği dikeyliği, elektrot uç yüzeyinin düzlüğü, bağlantı dört noktalı sapması. Özel halka mastarları ve plaka mastarları ile kontrol edin.
Üretimi tamamlanmış elektrotların incelenmesi: doğruluk, ağırlık, uzunluk, çap, yoğunluk, özdirenç, montaj öncesi tolerans vb.
Yayın tarihi: 31 Ekim 2019