Графітовий електрод - це високотемпературний графітовий провідний матеріал, що виробляється шляхом замішування нафтової суміші, голчастого коксу як заповнювача та вугільного бітуму як сполучного матеріалу, які виробляються за допомогою серії процесів, таких як замішування, формування, випалювання, просочення, графітизація та механічна обробка.
Графітовий електрод є важливим високотемпературним провідним матеріалом для електросталеплавильного виробництва. Графітовий електрод використовується для подачі електричної енергії в електропіч, а висока температура, що генерується дугою між кінцем електрода та шихтою, використовується як джерело тепла для плавлення шихти для виробництва сталі. Інші рудні печі, які плавлять такі матеріали, як жовтий фосфор, промисловий кремній та абразиви, також використовують графітові електроди як провідні матеріали. Чудові та особливі фізичні та хімічні властивості графітових електродів також широко використовуються в інших промислових секторах.
Сировиною для виробництва графітових електродів є нафтовий кокс, голчастий кокс та кам'яновугільний пек.
Нафтовий кокс — це легкозаймистий твердий продукт, отриманий шляхом коксування вугільних залишків та нафтового пеку. Колір чорний та пористий, основним елементом є вуглець, а вміст золи дуже низький, зазвичай нижче 0,5%. Нафтовий кокс належить до класу легкографітизованого вуглецю. Нафтовий кокс має широкий спектр застосування в хімічній та металургійній промисловості. Він є основною сировиною для виробництва виробів зі штучного графіту та вуглецевих виробів для електролітичного алюмінію.
Нафтовий кокс можна розділити на два типи: сирий кокс та кальцинований кокс залежно від температури термічної обробки. Нафтовий кокс, отриманий методом уповільненого коксування, містить велику кількість летких речовин, а механічна міцність низька. Кальцинований кокс отримують шляхом кальцинації сирого коксу. Більшість нафтопереробних заводів у Китаї виробляють лише кокс, а операції з кальцинації здебільшого проводяться на вуглецевих заводах.
Нафтовий кокс можна розділити на високосірчистий (що містить більше 1,5% сірки), середньосірчистий (що містить 0,5%-1,5% сірки) та низькосірчистий (що містить менше 0,5% сірки). Виробництво графітових електродів та інших виробів зі штучного графіту зазвичай здійснюється з використанням низькосірчистого коксу.
Голчастий кокс – це вид високоякісного коксу з вираженою волокнистою текстурою, дуже низьким коефіцієнтом теплового розширення та легкою графітизацією. Коли кокс подрібнюється, його можна розділити на тонкі смужки залежно від текстури (співвідношення сторін зазвичай перевищує 1,75). Анізотропну волокнисту структуру можна спостерігати під поляризаційним мікроскопом, тому його називають голчастим коксом.
Анізотропія фізико-механічних властивостей голчастого коксу дуже очевидна. Він має добру електро- та теплопровідність, паралельну напрямку довгої осі частинки, а коефіцієнт теплового розширення низький. При екструзійному формуванні довга вісь більшості частинок розташована в напрямку екструзії. Тому голчастий кокс є ключовою сировиною для виготовлення високопотужних або надвисокопотужних графітових електродів. Отриманий графітовий електрод має низький питомий опір, малий коефіцієнт теплового розширення та добру термостійкість.
Голчастий кокс поділяється на голчастий кокс на нафтовій основі, що виробляється з нафтових залишків, та голчастий кокс на вугільній основі, що виробляється з очищеної вугільної пекової сировини.
Кам'яновугільна смола є одним з основних продуктів глибокої переробки кам'яновугільної смоли. Це суміш різних вуглеводнів, чорного кольору за високої температури, напівтвердого або твердого за високої температури, без фіксованої точки плавлення, розм'якшується після нагрівання, а потім плавиться, з густиною 1,25-1,35 г/см3. За температурою розм'якшення його поділяють на низькотемпературний, середньотемпературний та високотемпературний асфальт. Вихід асфальту за середньої температури становить 54-56% від кам'яновугільної смоли. Склад кам'яновугільної смоли надзвичайно складний, що пов'язано з властивостями кам'яновугільної смоли та вмістом гетероатомів, а також залежить від системи коксування та умов переробки кам'яновугільної смоли. Існує багато показників для характеристики кам'яновугільного пеку, таких як температура розм'якшення бітуму, нерозчинні речовини в толуолі (TI), нерозчинні речовини в хіноліні (QI), показники коксування та реологія кам'яновугільного пеку.
Кам'яновугільна смола використовується як зв'язувальна речовина та просочувальний агент у вуглецевій промисловості, і її характеристики мають великий вплив на виробничий процес та якість вуглецевих виробів. Як зв'язувальний асфальт зазвичай використовується середньотемпературний або середньотемпературний модифікований асфальт, що має помірну температуру розм'якшення, високий коефіцієнт коксування та високий вміст β-смоли. Як просочувальний агент використовується середньотемпературний асфальт, що має низьку температуру розм'якшення, низький коефіцієнт якості та добрі реологічні властивості.
На наступному малюнку показано процес виробництва графітового електрода на вуглецевому підприємстві.
Кальцинація: Вуглецевмісну сировину піддають термічній обробці за високої температури для видалення вологи та летких речовин, що містяться в ній, а виробничий процес, що відповідає покращенню початкових кулінарних характеристик, називається кальцинацією. Як правило, вуглецевмісну сировину кальцинують за допомогою газу та власних летких речовин як джерела тепла, а максимальна температура становить 1250-1350 °C.
Кальцинація вносить суттєві зміни в структуру та фізико-хімічні властивості вуглецевої сировини, головним чином покращуючи щільність, механічну міцність та електропровідність коксу, покращуючи хімічну стабільність та стійкість коксу до окислення, закладаючи основу для подальшого процесу.
Обладнання для кальцинації в основному включає резервуарний кальцинатор, обертову піч та електричний кальцинатор. Показник контролю якості кальцинації полягає в тому, що справжня густина нафтового коксу не менше 2,07 г/см3, питомий опір не більше 550 мкОм·м, справжня густина голчастого коксу не менше 2,12 г/см3, а питомий опір не більше 500 мкОм·м.
Подрібнення сировини та інгредієнтів
Перед дозуванням кальцинований нафтовий кокс та голчастий кокс необхідно подрібнити, перемолоти та просіяти.
Середнє дроблення зазвичай здійснюється за допомогою дробильного обладнання розміром близько 50 мм за допомогою щелепної дробарки, молоткової дробарки, валкової дробарки тощо для подальшого дроблення матеріалу розміром 0,5-20 мм, необхідного для дозування.
Подрібнення – це процес подрібнення вуглецевого матеріалу до порошкоподібної дрібної частинки розміром 0,15 мм або менше та розміром частинок 0,075 мм або менше за допомогою кільцевого валкового млина суспензійного типу (млин Реймонда), кульового млина або подібного пристрою.
Просіювання – це процес, у якому широкий спектр матеріалів після подрібнення розділяється на кілька діапазонів розмірів частинок з вузьким діапазоном розмірів через серію сит з рівномірними отворами. Для виробництва поточних електродів зазвичай потрібно 4-5 гранул та 1-2 марки порошку.
Інгредієнти – це виробничі процеси для розрахунку, зважування та концентрування різних агрегатів заповнювачів, порошків і в'яжучих речовин відповідно до вимог рецептури. Наукова придатність рецептури та стабільність процесу дозування є одними з найважливіших факторів, що впливають на показник якості та експлуатаційні характеристики продукту.
Формула повинна визначати 5 аспектів:
1Виберіть тип сировини;
2 визначити пропорцію різних видів сировини;
3 визначення гранулометричного складу твердої сировини;
4 визначити кількість сполучної речовини;
5 Визначте тип і кількість добавок.
Замішування: Змішування та кількісне визначення вуглецевих гранул і порошків різного розміру частинок з певною кількістю сполучної речовини за певної температури та замішування пластичної пасти в процесі, який називається замішуванням.
Процес замішування: сухе замішування (20-35 хв) вологе замішування (40-55 хв)
Роль замішування:
1. При сухому змішуванні різні сировинні матеріали рівномірно змішуються, а тверді вуглецеві матеріали з різними розмірами частинок рівномірно змішуються та заповнюються для покращення щільності суміші;
2 Після додавання кам'яновугільного пеку сухий матеріал та асфальт рівномірно змішуються. Рідкий асфальт рівномірно покриває та змочує поверхню гранул, утворюючи шар асфальтового зв'язуючого шару, і всі матеріали з'єднуються один з одним, утворюючи однорідний пластичний мазок. Сприятливо для формування;
3 частини кам'яновугільного пеку проникають у внутрішній простір вуглецевого матеріалу, ще більше збільшуючи щільність і когезійність пасти.
Формування: Формування вуглецевого матеріалу стосується процесу пластичної деформації замішаної вуглецевої пасти під дією зовнішньої сили, що прикладається формувальним обладнанням, для остаточного формування незаготовленого матеріалу (або сирого продукту) певної форми, розміру, щільності та міцності.
Види лиття, обладнання та продукції, що виробляється:
Метод формування
Звичайне обладнання
основні продукти
Лиття
Вертикальний гідравлічний прес
Електровуглець, низькосортний дрібноструктурний графіт
Стиснути
Горизонтальний гідравлічний екструдер
Шнековий екструдер
Графітовий електрод, квадратний електрод
Вібраційне формування
Вібраційна формувальна машина
Алюмінієва вуглецева цегла, вуглецева цегла доменної печі
Ізостатичне пресування
Ізостатична формувальна машина
Ізотропний графіт, анізотропний графіт
Операція стиснення
1 охолоджувальний матеріал: дисковий охолоджувальний матеріал, циліндричний охолоджувальний матеріал, охолоджувальні матеріали для змішування та замішування тощо.
Видаліть леткі речовини, знизьте температуру до відповідної (90-120 °C) для збільшення адгезії, щоб блокова структура пасти була рівномірною протягом 20-30 хвилин.
2 Завантаження: прес-підйомник, перегородка —– 2-3 рази різання —-4-10 МПа ущільнення
3 попередній тиск: тиск 20-25 МПа, час 3-5 хв, під час вакуумування
4 екструзія: притисніть перегородку — екструзія 5-15 МПа — виріжте — в охолоджувальну раковину
Технічні параметри екструзії: ступінь стиснення, температура прес-камери та сопла, температура охолодження, час попереднього тиску, тиск екструзії, швидкість екструзії, температура охолоджувальної води
Огляд необробленого матеріалу: об'ємна щільність, зовнішній вигляд, простукування, аналіз
Кальцинація: це процес, під час якого вуглецевий зелений продукт заповнюють спеціально розробленою нагрівальною піччю під захистом наповнювача для проведення високотемпературної термічної обробки з метою карбонізації вугільного пеку в зеленому продукті. Бітумний кокс, що утворюється після карбонізації вугільного бітуму, затвердіває вуглецевий агрегат і частинки порошку разом, і кальцинований вуглецевий продукт має високу механічну міцність, низький електричний опір, добру термостабільність і хімічну стабільність.
Кальцинація є одним з основних процесів у виробництві вуглецевих продуктів, а також важливою частиною трьох основних процесів термічної обробки у виробництві графітових електродів. Виробничий цикл кальцинації є тривалим (22-30 днів для випалювання, 5-20 днів для печей для 2-го випалювання) та має вище енергоспоживання. Якість зеленого випалу впливає на якість готової продукції та собівартість виробництва.
Зелений вугільний пек у зеленому тілі коксується під час процесу випалу, і близько 10% летких речовин виділяється, а об'єм збільшується за рахунок усадки на 2-3%, а втрата маси становить 8-10%. Фізичні та хімічні властивості вуглецевої заготовки також значно змінилися. Пористість зменшилася з 1,70 г/см3 до 1,60 г/см3, а питомий опір зменшився з 10000 мкОм·м до 40-50 мкОм·м через збільшення пористості. Механічна міцність прожареної заготовки також була значною. Для покращення.
Вторинний випал – це процес, під час якого прокалений продукт занурюють, а потім прокалюють для карбонізації пека, зануреного в пори прокаленого продукту. Електроди, що потребують вищої насипної щільності (всі різновиди, крім RP), та заготовки для з'єднань необхідно піддавати подвійному випалу, а заготовки для з'єднань також піддають тризанурювальному чотиризанурювальному або двозанурювальному тризанурювальному випалу.
Основний тип печі обсмажувача:
Безперервна робота — кільцева піч (з кришкою, без кришки), тунельна піч
Переривчаста робота — реверсивна піч, підлогова випалювальна камера, коробкова випалювальна камера
Крива кальцинації та максимальна температура:
Одноразове випікання — -320, 360, 422, 480 годин, 1250 °C
Вторинне обсмажування — 125, 240, 280 годин, 700-800 °C
Контроль випечених виробів: зовнішній вигляд методом постукування, питомий електричний опір, об'ємна щільність, міцність на стиск, аналіз внутрішньої структури
Просочення – це процес, під час якого вуглецевий матеріал поміщають у посудину під тиском, а рідкий просочувальний пек занурюють у пори електрода продукту за певних умов температури та тиску. Метою є зменшення пористості продукту, збільшення об'ємної щільності та механічної міцності продукту, а також покращення його електро- та теплопровідності.
Процес просочення та пов'язані з ним технічні параметри: випал заготовки – очищення поверхні – попередній нагрів (260-380 °C, 6-10 годин) – завантаження просочувального резервуара – вакуумування (8-9 кПа, 40-50 хв) – ін'єкція бітуму (180-200 °C) – створення тиску (1,2-1,5 МПа, 3-4 години) – повернення до асфальту – охолодження (всередині або зовні резервуара)
Перевірка просочених виробів: коефіцієнт збільшення ваги просоченням G=(W2-W1)/W1×100%
Швидкість збільшення ваги після одного занурення ≥14%
Коефіцієнт збільшення ваги вторинно просоченого продукту ≥ 9%
Три продукти для занурення зі швидкістю збільшення ваги ≥ 5%
Графітизація – це процес високотемпературної термічної обробки, при якому вуглецевий продукт нагрівають до температури 2300 °C або більше в захисному середовищі у високотемпературній електричній печі для перетворення аморфної шаруватої структури вуглецю в тривимірну впорядковану кристалічну структуру графіту.
Мета та ефект графітизації:
1 покращити провідність та теплопровідність вуглецевого матеріалу (питомий опір зменшується в 4-5 разів, а теплопровідність збільшується приблизно в 10 разів);
2 покращити термостійкість та хімічну стабільність вуглецевого матеріалу (коефіцієнт лінійного розширення зменшено на 50-80%);
3 для забезпечення змащувальної здатності та стійкості до стирання вуглецевого матеріалу;
4. Видалення домішок у вихлопних газах, покращення чистоти вуглецевого матеріалу (вміст золи в продукті знижується з 0,5-0,8% до приблизно 0,3%).
Реалізація процесу графітизації:
Графітизація вуглецевого матеріалу здійснюється за високої температури 2300-3000 °C, тому в промисловості її можна здійснити лише за допомогою електричного нагрівання, тобто струм безпосередньо проходить через нагрітий прокалений продукт, і прокалений продукт, що завантажується в піч, генерується електричним струмом за високої температури. Провідник також є об'єктом, який нагрівається до високої температури.
Серед печей, що зараз широко використовуються, є печі графітизації Ачесона та печі внутрішнього каскаду нагрівання (LWG). Перші мають велику продуктивність, велику різницю температур та високе енергоспоживання. Другі мають короткий час нагрівання, низьке енергоспоживання, рівномірний електричний опір і не підходять для фітингів.
Контроль процесу графітизації здійснюється шляхом вимірювання кривої електричної потужності, яка підходить для умов підвищення температури. Час живлення становить 50-80 годин для печі Ачесона та 9-15 годин для печі LWG.
Споживання енергії для графітизації дуже велике, зазвичай 3200-4800 кВт·год, а вартість процесу становить близько 20-35% від загальної собівартості виробництва.
Перевірка графітизованих виробів: простукування зовнішнього вигляду, випробування на питомий опір
Механічна обробка: Метою механічної обробки вуглецево-графітових матеріалів є досягнення необхідного розміру, форми, точності тощо шляхом різання, щоб зробити корпус електрода та з'єднання відповідно до вимог використання.
Обробка графітового електрода поділяється на два незалежні процеси обробки: корпус електрода та з'єднання.
Обробка корпусу включає три етапи: розточування та чорнову плоску торцеву поверхню, зовнішню окружність та плоску торцеву поверхню, а також фрезерування різьби. Обробку конічного з'єднання можна розділити на шість процесів: різання, плоска торцева поверхня, конічна поверхня автомобіля, фрезерування різьби, свердління болта та довбання.
З'єднання електродних з'єднань: конічне з'єднання (три пряжки та одна пряжка), циліндричне з'єднання, гофроване з'єднання (штекерне та гніздо).
Контроль точності обробки: відхилення конусності різьби, крок різьби, відхилення великого діаметра з'єднання (отвору), співвісність з'єднувального отвору, вертикальність з'єднувального отвору, площинність торця електрода, чотириточкове відхилення з'єднання. Перевіряється спеціальними кільцевими калібрами та пластинчастими калібрами.
Перевірка готових електродів: точність, вага, довжина, діаметр, об'ємна щільність, питомий опір, допуск на попереднє складання тощо.
Час публікації: 31 жовтня 2019 р.