Điện cực than chì là vật liệu dẫn điện chịu nhiệt cao được sản xuất từ than chì, sử dụng than cốc kim làm cốt liệu và bitum than làm chất kết dính, trải qua một loạt các quy trình như nhào trộn, tạo hình, nung, tẩm, graphit hóa và gia công cơ học.
Điện cực than chì là một vật liệu dẫn điện chịu nhiệt cao quan trọng trong sản xuất thép bằng điện. Điện cực than chì được sử dụng để dẫn điện vào lò điện, và nhiệt độ cao sinh ra từ hồ quang giữa đầu điện cực và nguyên liệu được sử dụng làm nguồn nhiệt để làm nóng chảy nguyên liệu cho quá trình sản xuất thép. Các lò luyện quặng khác dùng để luyện các vật liệu như phốt pho vàng, silic công nghiệp và vật liệu mài mòn cũng sử dụng điện cực than chì làm vật liệu dẫn điện. Các đặc tính vật lý và hóa học tuyệt vời và đặc biệt của điện cực than chì cũng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác.
Nguyên liệu thô để sản xuất điện cực than chì bao gồm than cốc dầu mỏ, than cốc kim và nhựa than đá.
Than cốc dầu mỏ là một sản phẩm rắn dễ cháy thu được bằng cách luyện cốc cặn than đá và nhựa đường dầu mỏ. Nó có màu đen và xốp, thành phần chính là cacbon, và hàm lượng tro rất thấp, thường dưới 0,5%. Than cốc dầu mỏ thuộc loại cacbon dễ graphit hóa. Than cốc dầu mỏ có phạm vi sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hóa chất và luyện kim. Nó là nguyên liệu chính để sản xuất các sản phẩm graphit nhân tạo và các sản phẩm cacbon dùng cho nhôm điện phân.
Than cốc dầu mỏ có thể được chia thành hai loại: than cốc thô và than cốc nung theo nhiệt độ xử lý nhiệt. Than cốc thô thu được bằng phương pháp luyện cốc chậm chứa nhiều chất dễ bay hơi và độ bền cơ học thấp. Than cốc nung được thu được bằng cách nung than cốc thô. Hầu hết các nhà máy lọc dầu ở Trung Quốc chỉ sản xuất than cốc, và các hoạt động nung chủ yếu được thực hiện tại các nhà máy sản xuất than cốc.
Than cốc dầu mỏ có thể được chia thành than cốc hàm lượng lưu huỳnh cao (chứa hơn 1,5% lưu huỳnh), than cốc hàm lượng lưu huỳnh trung bình (chứa 0,5%-1,5% lưu huỳnh) và than cốc hàm lượng lưu huỳnh thấp (chứa ít hơn 0,5% lưu huỳnh). Việc sản xuất điện cực than chì và các sản phẩm than chì nhân tạo khác thường được thực hiện bằng cách sử dụng than cốc hàm lượng lưu huỳnh thấp.
Than cốc dạng kim là một loại than cốc chất lượng cao với cấu trúc sợi rõ rệt, hệ số giãn nở nhiệt rất thấp và dễ bị graphit hóa. Khi than cốc bị vỡ, nó có thể được tách thành các dải mảnh theo cấu trúc (tỷ lệ chiều dài/chiều rộng thường trên 1,75). Cấu trúc sợi không đồng nhất có thể được quan sát dưới kính hiển vi phân cực, và do đó được gọi là than cốc dạng kim.
Tính chất dị hướng về mặt vật lý-cơ học của than cốc kim rất rõ rệt. Nó có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt song song với hướng trục dài của hạt, và hệ số giãn nở nhiệt thấp. Khi ép đùn, trục dài của hầu hết các hạt được sắp xếp theo hướng ép đùn. Do đó, than cốc kim là nguyên liệu thô quan trọng để sản xuất điện cực than chì công suất cao hoặc siêu cao. Điện cực than chì được sản xuất có điện trở suất thấp, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ và khả năng chịu sốc nhiệt tốt.
Than cốc kim được chia thành than cốc kim gốc dầu được sản xuất từ cặn dầu mỏ và than cốc kim gốc than được sản xuất từ nguyên liệu nhựa than tinh chế.
Nhựa than đá là một trong những sản phẩm chính của quá trình chế biến sâu nhựa than đá. Nó là hỗn hợp của nhiều loại hydrocarbon, có màu đen ở nhiệt độ cao, bán rắn hoặc rắn ở nhiệt độ cao, không có điểm nóng chảy cố định, mềm ra sau khi nung nóng rồi tan chảy, có mật độ 1,25-1,35 g/cm3. Theo điểm hóa mềm, nó được chia thành nhựa đường nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao. Hiệu suất nhựa đường nhiệt độ trung bình chiếm 54-56% nhựa than đá. Thành phần của nhựa than đá vô cùng phức tạp, liên quan đến tính chất của nhựa than đá và hàm lượng các dị nguyên tử, đồng thời bị ảnh hưởng bởi hệ thống quá trình cốc hóa và điều kiện chế biến nhựa than đá. Có nhiều chỉ số để đặc trưng cho nhựa than đá, chẳng hạn như điểm hóa mềm của bitum, độ không tan trong toluen (TI), độ không tan trong quinoline (QI), giá trị cốc hóa và tính lưu biến của nhựa than đá.
Nhựa than đá được sử dụng làm chất kết dính và chất tẩm trong ngành công nghiệp carbon, và hiệu quả của nó có tác động lớn đến quy trình sản xuất và chất lượng sản phẩm carbon. Nhựa đường kết dính thường sử dụng nhựa đường nhiệt độ trung bình hoặc nhựa đường biến tính nhiệt độ trung bình có điểm hóa mềm vừa phải, giá trị cốc hóa cao và hàm lượng nhựa β cao. Chất tẩm là nhựa đường nhiệt độ trung bình có điểm hóa mềm thấp, chỉ số QI thấp và tính chất lưu biến tốt.
Hình ảnh sau đây minh họa quy trình sản xuất điện cực than chì tại một doanh nghiệp sản xuất carbon.
Nung vôi: Nguyên liệu chứa cacbon được xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao để loại bỏ độ ẩm và các chất dễ bay hơi có trong đó, và quá trình sản xuất tương ứng với việc cải thiện hiệu suất nấu nướng ban đầu được gọi là nung vôi. Nói chung, nguyên liệu chứa cacbon được nung vôi bằng cách sử dụng khí và các chất dễ bay hơi của chính nó làm nguồn nhiệt, và nhiệt độ tối đa là 1250-1350 °C.
Quá trình nung vôi làm thay đổi sâu sắc cấu trúc và tính chất lý hóa của nguyên liệu cacbon, chủ yếu là cải thiện mật độ, độ bền cơ học và độ dẫn điện của than cốc, nâng cao độ ổn định hóa học và khả năng chống oxy hóa của than cốc, tạo nền tảng cho các quá trình tiếp theo.
Thiết bị nung chủ yếu bao gồm lò nung bể, lò quay và lò nung điện. Chỉ tiêu kiểm soát chất lượng nung là: khối lượng riêng thực của than cốc dầu mỏ không nhỏ hơn 2,07 g/cm³, điện trở suất không quá 550 μΩ.m; khối lượng riêng thực của than cốc hình kim không nhỏ hơn 2,12 g/cm³, và điện trở suất không quá 500 μΩ.m.
Nghiền nguyên liệu thô và các thành phần
Trước khi trộn thành mẻ, than cốc dầu mỏ nung và than cốc kim loại dạng khối phải được nghiền, xay và sàng lọc.
Quá trình nghiền trung bình thường được thực hiện bằng thiết bị nghiền có kích thước khoảng 50 mm thông qua máy nghiền hàm, máy nghiền búa, máy nghiền trục lăn, v.v., để tiếp tục nghiền nhỏ vật liệu có kích thước 0,5-20 mm cần thiết cho quá trình phối trộn.
Nghiền là quá trình nghiền vật liệu chứa cacbon thành dạng bột mịn có kích thước hạt nhỏ hơn hoặc bằng 0,15 mm và 0,075 mm bằng máy nghiền trục lăn kiểu treo (máy nghiền Raymond), máy nghiền bi, hoặc các loại máy tương tự.
Sàng lọc là một quá trình trong đó nhiều loại vật liệu sau khi nghiền được phân tách thành nhiều dải kích thước hạt khác nhau với phạm vi kích thước hẹp thông qua một loạt các sàng có lỗ đồng đều. Sản xuất điện cực hiện nay thường yêu cầu 4-5 loại viên nén và 1-2 loại bột.
Thành phần nguyên liệu là các quy trình sản xuất nhằm tính toán, cân đo và định lượng các loại cốt liệu, bột và chất kết dính khác nhau theo yêu cầu công thức. Tính phù hợp khoa học của công thức và sự ổn định của quá trình phối trộn là những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chỉ số chất lượng và hiệu suất của sản phẩm.
Công thức này cần xác định 5 khía cạnh:
1. Chọn loại nguyên liệu thô;
2. Xác định tỷ lệ các loại nguyên liệu khác nhau;
3. Xác định thành phần kích thước hạt của nguyên liệu thô rắn;
4. Xác định lượng chất kết dính;
5. Xác định loại và lượng chất phụ gia.
Nhào trộn: Trộn và định lượng các hạt và bột cacbon có kích thước khác nhau với một lượng chất kết dính nhất định ở một nhiệt độ nhất định, và nhào trộn hỗn hợp dẻo thành một quá trình gọi là nhào trộn.
Quy trình nhào bột: trộn khô (20-35 phút) trộn ướt (40-55 phút)
Vai trò của việc nhào bột:
1. Khi trộn khô, các nguyên liệu thô khác nhau được trộn đều, và các vật liệu cacbon rắn có kích thước hạt khác nhau được trộn đều và lấp đầy để cải thiện độ đặc chắc của hỗn hợp;
2. Sau khi thêm nhựa than đá, vật liệu khô và nhựa đường được trộn đều. Nhựa đường lỏng phủ đều và làm ướt bề mặt các hạt để tạo thành một lớp liên kết nhựa đường, và tất cả các vật liệu được liên kết với nhau để tạo thành một lớp màng dẻo đồng nhất. Thuận lợi cho việc tạo hình;
3 phần nhựa than đá thấm sâu vào không gian bên trong của vật liệu chứa cacbon, làm tăng thêm độ đặc và độ kết dính của hỗn hợp.
Ép khuôn: Ép khuôn vật liệu carbon là quá trình biến dạng dẻo hỗn hợp carbon đã nhào trộn dưới tác động của lực bên ngoài từ thiết bị ép khuôn để cuối cùng tạo thành sản phẩm thô (hoặc nguyên liệu thô) có hình dạng, kích thước, mật độ và độ bền nhất định.
Các loại khuôn đúc, thiết bị và sản phẩm được sản xuất:
Phương pháp đúc
Thiết bị thông thường
sản phẩm chính
Khuôn đúc
Máy ép thủy lực thẳng đứng
Cacbon điện, than chì cấu trúc mịn cấp thấp
Vắt kiệt
Máy đùn thủy lực nằm ngang
Máy đùn trục vít
Điện cực than chì, điện cực vuông
Khuôn rung
Máy ép rung
Gạch cacbon nhôm, gạch cacbon lò cao
ép đẳng tĩnh
Máy ép khuôn đẳng tĩnh
Than chì đẳng hướng, than chì dị hướng
Thao tác ép
1. Vật liệu làm mát: vật liệu làm mát dạng đĩa, vật liệu làm mát dạng trụ, vật liệu làm mát cho quá trình trộn và nhào, v.v.
Loại bỏ các chất dễ bay hơi, hạ nhiệt độ xuống mức thích hợp (90-120 °C) để tăng độ bám dính, sao cho hỗn hợp đồng nhất trong 20-30 phút.
2. Nạp liệu: nâng tấm chắn bằng máy ép —– cắt 2-3 lần —- nén 4-10MPa
3. Chuẩn bị áp suất trước: áp suất 20-25MPa, thời gian 3-5 phút, đồng thời hút chân không.
4. Ép đùn: ấn tấm chắn xuống —ép đùn 5-15MPa — cắt — vào bộ tản nhiệt
Các thông số kỹ thuật của quá trình ép đùn: tỷ số nén, nhiệt độ buồng ép và vòi phun, nhiệt độ làm mát, thời gian tạo áp suất tải trước, áp suất ép đùn, tốc độ ép đùn, nhiệt độ nước làm mát.
Kiểm tra phôi gỗ thô: khối lượng riêng, kiểm tra hình thức, phân tích.
Nung cacbon: Đây là quá trình trong đó phôi cacbon thô được cho vào lò nung được thiết kế đặc biệt dưới sự bảo vệ của chất độn để thực hiện xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao nhằm cacbon hóa nhựa than trong phôi. Than cốc bitum hình thành sau quá trình cacbon hóa bitum than sẽ kết dính các hạt cacbon và các hạt bột lại với nhau, và sản phẩm cacbon nung có độ bền cơ học cao, điện trở suất thấp, độ ổn định nhiệt và ổn định hóa học tốt.
Nung là một trong những quy trình chính trong sản xuất các sản phẩm cacbon, và cũng là một phần quan trọng trong ba quy trình xử lý nhiệt chính để sản xuất điện cực than chì. Chu kỳ sản xuất nung khá dài (22-30 ngày đối với nung sơ bộ, 5-20 ngày đối với lò nung hai lần), và tiêu thụ năng lượng cao. Chất lượng của quá trình nung sơ bộ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng và chi phí sản xuất.
Trong quá trình nung, than xanh trong phôi than được luyện cốc, khoảng 10% chất dễ bay hơi được thải ra, thể tích giảm 2-3%, và khối lượng giảm 8-10%. Các tính chất vật lý và hóa học của phôi carbon cũng thay đổi đáng kể. Độ xốp giảm từ 1,70 g/cm³ xuống 1,60 g/cm³ và điện trở suất giảm từ 10000 μΩ·m xuống 40-50 μΩ·m do độ xốp tăng lên. Độ bền cơ học của phôi nung cũng được cải thiện đáng kể.
Quá trình nung thứ cấp là quá trình trong đó sản phẩm đã nung được nhúng vào dung dịch và sau đó nung lại để cacbon hóa nhựa đường nằm trong các lỗ rỗng của sản phẩm đã nung. Các điện cực yêu cầu mật độ khối lượng lớn hơn (tất cả các loại trừ RP) và các phôi nối cần được nung hai lần, và các phôi nối cũng được xử lý bằng quy trình ba lần nhúng bốn lần nung hoặc hai lần nhúng ba lần nung.
Loại lò chính của máy rang:
Vận hành liên tục — lò vòng (có nắp đậy, không có nắp đậy), lò hầm
Vận hành gián đoạn — lò nung ngược, lò rang dưới sàn, lò rang dạng hộp
Đường cong nung và nhiệt độ tối đa:
Rang một lần — 320, 360, 422, 480 giờ, 1250 °C
Rang lần hai — 125, 240, 280 giờ, 700-800 °C
Kiểm tra sản phẩm nướng: hình thức, độ cứng khi gõ, điện trở suất, mật độ khối, độ bền nén, phân tích cấu trúc bên trong.
Quá trình tẩm là quá trình trong đó vật liệu carbon được đặt trong bình chịu áp suất và dung dịch nhựa tẩm được ngấm vào các lỗ rỗng của điện cực sản phẩm dưới các điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định. Mục đích là để giảm độ xốp của sản phẩm, tăng mật độ khối lượng và độ bền cơ học của sản phẩm, đồng thời cải thiện khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt của sản phẩm.
Quy trình tẩm nhựa đường và các thông số kỹ thuật liên quan như sau: nung phôi – làm sạch bề mặt – làm nóng sơ bộ (260-380 °C, 6-10 giờ) – cho vào bể tẩm – hút chân không (8-9KPa, 40-50 phút) – Bơm nhựa đường (180-200 °C) – Tạo áp suất (1,2-1,5 MPa, 3-4 giờ) – Trở lại trạng thái nhựa đường – Làm nguội (bên trong hoặc bên ngoài bể)
Kiểm tra sản phẩm đã được tẩm: Tỷ lệ tăng trọng lượng khi tẩm G=(W2-W1)/W1×100%
Tỷ lệ tăng cân sau một lần giảm cân ≥14%
Tỷ lệ tăng trọng của sản phẩm tẩm thứ cấp ≥ 9%
Tỷ lệ tăng cân của ba sản phẩm nhúng ≥ 5%
Quá trình graphit hóa là một phương pháp xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao, trong đó sản phẩm cacbon được nung nóng đến nhiệt độ 2300°C trở lên trong môi trường bảo vệ trong lò điện nhiệt độ cao để chuyển đổi cấu trúc lớp vô định hình của cacbon thành cấu trúc tinh thể graphit ba chiều có trật tự.
Mục đích và tác dụng của quá trình graphit hóa:
1. Cải thiện độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt của vật liệu carbon (điện trở suất giảm 4-5 lần, và độ dẫn nhiệt tăng khoảng 10 lần);
2. Cải thiện khả năng chịu sốc nhiệt và độ ổn định hóa học của vật liệu carbon (hệ số giãn nở tuyến tính giảm 50-80%);
3. Để tăng khả năng bôi trơn và chống mài mòn của vật liệu carbon;
4. Loại bỏ tạp chất, cải thiện độ tinh khiết của vật liệu carbon (hàm lượng tro trong sản phẩm giảm từ 0,5-0,8% xuống khoảng 0,3%).
Sự hình thành và phát triển của quá trình graphit hóa:
Quá trình graphit hóa vật liệu cacbon được thực hiện ở nhiệt độ cao 2300-3000 °C, do đó trong công nghiệp chỉ có thể thực hiện bằng phương pháp gia nhiệt điện, tức là dòng điện chạy trực tiếp qua sản phẩm đã được nung nóng, và sản phẩm đã nung được đưa vào lò nung sẽ được tạo ra dòng điện ở nhiệt độ cao. Chất dẫn điện lại là một vật thể được nung nóng đến nhiệt độ cao.
Các loại lò nung hiện đang được sử dụng rộng rãi bao gồm lò nung graphit hóa Acheson và lò nung tầng nhiệt bên trong (LWG). Loại thứ nhất có công suất lớn, chênh lệch nhiệt độ lớn và tiêu thụ điện năng cao. Loại thứ hai có thời gian nung ngắn, tiêu thụ điện năng thấp, điện trở suất đồng nhất và không phù hợp cho việc lắp ráp.
Quá trình graphit hóa được kiểm soát bằng cách đo đường cong công suất điện phù hợp với điều kiện tăng nhiệt độ. Thời gian cấp điện là 50-80 giờ đối với lò Acheson và 9-15 giờ đối với lò LWG.
Quá trình graphit hóa tiêu thụ điện năng rất lớn, thường từ 3200-4800 kWh, và chi phí quy trình chiếm khoảng 20-35% tổng chi phí sản xuất.
Kiểm tra sản phẩm graphit hóa: kiểm tra ngoại quan bằng cách gõ, kiểm tra điện trở suất.
Gia công cơ khí: Mục đích của gia công cơ khí vật liệu than chì là đạt được kích thước, hình dạng, độ chính xác cần thiết, v.v. bằng cách cắt gọt để tạo ra thân điện cực và các mối nối phù hợp với yêu cầu sử dụng.
Quá trình gia công điện cực than chì được chia thành hai quy trình độc lập: gia công thân điện cực và mối nối.
Gia công thân khớp côn bao gồm ba bước: khoan và làm phẳng mặt đáy thô, tạo đường tròn ngoài và làm phẳng mặt đáy, và phay ren. Gia công khớp côn có thể chia thành 6 công đoạn: cắt, làm phẳng mặt đáy, tạo hình nón, phay ren, khoan bu lông và xẻ rãnh.
Kết nối các đầu điện cực: kết nối hình nón (ba khóa và một khóa), kết nối hình trụ, kết nối dạng gờ (kết nối đực và cái)
Kiểm soát độ chính xác gia công: độ lệch côn ren, bước ren, độ lệch đường kính lớn của mối nối (lỗ), độ đồng trục của lỗ mối nối, độ thẳng đứng của lỗ mối nối, độ phẳng mặt đầu điện cực, độ lệch bốn điểm của mối nối. Kiểm tra bằng các thước đo vòng và thước đo tấm chuyên dụng.
Kiểm tra điện cực thành phẩm: độ chính xác, trọng lượng, chiều dài, đường kính, mật độ khối, điện trở suất, dung sai trước khi lắp ráp, v.v.
Thời gian đăng bài: 31 tháng 10 năm 2019