Proceso de producción de electrodos de grafito.

El electrodo de grafito es un material conductor de grafito resistente a altas temperaturas producido mediante amasado de petróleo, coque de aguja como agregado y betún de carbón como aglutinante, que se producen mediante una serie de procesos como amasado, moldeado, tostado, impregnación, grafitización y procesamiento mecánico. material.

El electrodo de grafito es un importante material conductor de alta temperatura para la fabricación de acero eléctrico. El electrodo de grafito se utiliza para introducir energía eléctrica al horno eléctrico, y la alta temperatura generada por el arco entre el extremo del electrodo y la carga se utiliza como fuente de calor para fundir la carga para la fabricación de acero. Otros hornos de minerales que funden materiales como fósforo amarillo, silicio industrial y abrasivos también utilizan electrodos de grafito como materiales conductores. Las excelentes y especiales propiedades físicas y químicas de los electrodos de grafito también se utilizan ampliamente en otros sectores industriales.
Las materias primas para la producción de electrodos de grafito son el coque de petróleo, el coque de aguja y la brea de alquitrán de hulla.

El coque de petróleo es un producto sólido inflamable que se obtiene coquizando residuos de carbón y brea de petróleo. El color es negro y poroso, el elemento principal es el carbón y el contenido de cenizas es muy bajo, generalmente inferior al 0,5%. El coque de petróleo pertenece a la clase de carbono que se grafitiza fácilmente. El coque de petróleo tiene una amplia gama de usos en las industrias química y metalúrgica. Es la principal materia prima para la producción de productos de grafito artificial y productos de carbono para aluminio electrolítico.

El coque de petróleo se puede dividir en dos tipos: coque crudo y coque calcinado según la temperatura del tratamiento térmico. El antiguo coque de petróleo obtenido mediante coquización retardada contiene una gran cantidad de volátiles y su resistencia mecánica es baja. El coque calcinado se obtiene por calcinación de coque crudo. La mayoría de las refinerías de China producen únicamente coque y las operaciones de calcinación se llevan a cabo principalmente en plantas de carbón.

El coque de petróleo se puede dividir en coque con alto contenido de azufre (que contiene más del 1,5% de azufre), coque con contenido medio de azufre (que contiene entre 0,5% y 1,5% de azufre) y coque con bajo contenido de azufre (que contiene menos del 0,5% de azufre). La producción de electrodos de grafito y otros productos de grafito artificial generalmente se realiza utilizando coque con bajo contenido de azufre.

El coque de aguja es un tipo de coque de alta calidad con una textura fibrosa evidente, un coeficiente de expansión térmica muy bajo y una fácil grafitización. Cuando la coque se rompe, se puede dividir en tiras delgadas según la textura (la relación de aspecto generalmente es superior a 1,75). Una estructura fibrosa anisotrópica se puede observar bajo un microscopio polarizador y, por lo tanto, se la denomina coque en aguja.

La anisotropía de las propiedades físico-mecánicas del coque en aguja es muy obvia. Tiene buena conductividad eléctrica y térmica paralela a la dirección del eje largo de la partícula y el coeficiente de expansión térmica es bajo. Cuando se moldea por extrusión, el eje largo de la mayoría de las partículas está dispuesto en la dirección de extrusión. Por lo tanto, el coque de aguja es la materia prima clave para la fabricación de electrodos de grafito de alta o ultra alta potencia. El electrodo de grafito producido tiene baja resistividad, pequeño coeficiente de expansión térmica y buena resistencia al choque térmico.

El coque de aguja se divide en coque de aguja a base de aceite producido a partir de residuos de petróleo y coque de aguja a base de carbón producido a partir de materias primas de brea de carbón refinadas.

El alquitrán de hulla es uno de los principales productos del procesamiento profundo del alquitrán de hulla. Es una mezcla de varios hidrocarburos, negros a alta temperatura, semisólidos o sólidos a alta temperatura, sin punto de fusión fijo, ablandados después del calentamiento y luego fundidos, con una densidad de 1,25-1,35 g/cm3. Según su punto de reblandecimiento, se divide en asfalto de baja temperatura, media temperatura y alta temperatura. El rendimiento del asfalto a temperatura media es del 54-56% del alquitrán de hulla. La composición del alquitrán de hulla es extremadamente complicada, está relacionada con las propiedades del alquitrán de hulla y el contenido de heteroátomos, y también se ve afectada por el sistema del proceso de coquización y las condiciones de procesamiento del alquitrán de hulla. Existen muchos indicadores para caracterizar la brea de alquitrán de hulla, como el punto de reblandecimiento del betún, los insolubles en tolueno (TI), los insolubles en quinolina (QI), los valores de coquización y la reología de la brea de hulla.

El alquitrán de hulla se utiliza como aglutinante e impregnante en la industria del carbono, y su rendimiento tiene un gran impacto en el proceso de producción y la calidad de los productos de carbono. El asfalto aglutinante generalmente utiliza un asfalto de temperatura media o modificado de temperatura media que tiene un punto de reblandecimiento moderado, un valor de coquización alto y una resina β alta. El agente de impregnación es un asfalto de temperatura media que tiene un punto de reblandecimiento bajo, un QI bajo y buenas propiedades reológicas.

La siguiente imagen muestra el proceso de producción de electrodos de grafito en una empresa de carbono.
Calcinación: La materia prima carbonosa se trata térmicamente a alta temperatura para descargar la humedad y las materias volátiles que contiene, y el proceso de producción correspondiente a la mejora del rendimiento de cocción original se denomina calcinación. Generalmente, la materia prima carbonosa se calcina utilizando gas y sus propios volátiles como fuente de calor, y la temperatura máxima es de 1250-1350 °C.

La calcinación produce cambios profundos en la estructura y propiedades fisicoquímicas de las materias primas carbonosas, principalmente en la mejora de la densidad, resistencia mecánica y conductividad eléctrica del coque, mejorando la estabilidad química y la resistencia a la oxidación del coque, sentando las bases para el proceso posterior. .

El equipo calcinado incluye principalmente calcinador de tanque, horno rotatorio y calcinador eléctrico. El índice de control de calidad de la calcinación es que la densidad real del coque de petróleo no sea inferior a 2,07 g/cm3, la resistividad no sea superior a 550 μΩ.m, la densidad real del coque de aguja no sea inferior a 2,12 g/cm3 y la La resistividad no supera los 500μΩ.m.
Trituración de materia prima e ingredientes.

Antes de la dosificación, el coque de petróleo calcinado a granel y el coque de aguja deben triturarse, molerse y tamizarse.

La trituración media generalmente se lleva a cabo mediante equipos de trituración de aproximadamente 50 mm a través de una trituradora de mandíbulas, una trituradora de martillos, una trituradora de rodillos y similares para triturar aún más el material de tamaño de 0,5 a 20 mm requerido para el procesamiento por lotes.

La molienda es un proceso de trituración de un material carbonoso hasta obtener una pequeña partícula en polvo de 0,15 mm o menos y un tamaño de partícula de 0,075 mm o menos por medio de un molino de anillos de tipo suspensión (molino Raymond), un molino de bolas o similar. .

El cribado es un proceso en el que una amplia gama de materiales después de una trituración se divide en varios rangos de tamaño de partículas con un rango estrecho de tamaños a través de una serie de tamices con aberturas uniformes. La producción actual de electrodos suele requerir de 4 a 5 gránulos y de 1 a 2 grados de polvo.

Los ingredientes son los procesos de producción para calcular, pesar y concentrar los distintos agregados de áridos y polvos y aglutinantes de acuerdo con los requisitos de formulación. La idoneidad científica de la formulación y la estabilidad de la operación de dosificación se encuentran entre los factores más importantes que afectan el índice de calidad y el rendimiento del producto.

La fórmula debe determinar 5 aspectos:
1Seleccione el tipo de materias primas;
2 determinar la proporción de diferentes tipos de materias primas;
3 determinar la composición granulométrica de la materia prima sólida;
4 determinar la cantidad de aglutinante;
5 Determinar el tipo y cantidad de aditivos.

Amasado: Mezclar y cuantificar varios gránulos y polvos carbonosos de tamaño de partícula con una cierta cantidad de aglutinante a una temperatura determinada, y amasar la pasta de plasticidad en un proceso llamado amasado.

Proceso de amasado: mezclado en seco (20-35 min) mezclado en húmedo (40-55 min)

El papel de amasar:
1 Al mezclar en seco, las diversas materias primas se mezclan uniformemente y los materiales carbonosos sólidos de diferentes tamaños de partículas se mezclan y rellenan uniformemente para mejorar la compacidad de la mezcla;
2 Después de añadir brea de alquitrán de hulla, el material seco y el asfalto se mezclan uniformemente. El asfalto líquido recubre y humedece uniformemente la superficie de los gránulos para formar una capa de unión asfáltica, y todos los materiales se unen entre sí para formar una mancha plástica homogénea. Propicio para el moldeado;
3 partes de brea de alquitrán de hulla penetran en el espacio interior del material carbonoso, aumentando aún más la densidad y cohesividad de la pasta.

Moldeo: El moldeado de material de carbono se refiere al proceso de deformar plásticamente la pasta de carbón amasada bajo la fuerza externa aplicada por el equipo de moldeo para finalmente formar un cuerpo verde (o producto crudo) que tiene una determinada forma, tamaño, densidad y resistencia. proceso.

Tipos de molduras, equipos y productos fabricados:
Método de moldeo
Equipo común
productos principales
Moldura
Prensa hidráulica vertical
Carbón eléctrico, grafito de estructura fina de baja calidad.
Estrujar
Extrusora hidráulica horizontal
Extrusora de tornillo
Electrodo de grafito, electrodo cuadrado.
Moldeo por vibración
Máquina de moldeo por vibración
Ladrillo de carbón de aluminio, ladrillo de carbón de alto horno
prensado isostático
Máquina de moldeo isostática
Grafito isotrópico, grafito anisotrópico

operación de compresión
1 material frío: material de refrigeración del disco, material de refrigeración del cilindro, materiales de refrigeración para mezclar y amasar, etc.
Descargue los volátiles, reduzca a una temperatura adecuada (90-120 ° C) para aumentar la adhesión, de modo que el bloque de la pasta sea uniforme durante 20-30 min.
2 Carga: deflector de elevación de prensa —– 2-3 veces de corte—-compactación de 4-10 MPa
3 prepresiones: presión 20-25MPa, tiempo 3-5min, mientras se aspira
4 extrusión: presione hacia abajo el deflector (extrusión de 5-15 MPa, corte) en el disipador de enfriamiento

Parámetros técnicos de extrusión: relación de compresión, temperatura de la cámara de prensa y de la boquilla, temperatura de enfriamiento, tiempo de presión de precarga, presión de extrusión, velocidad de extrusión, temperatura del agua de enfriamiento

Inspección de cuerpos verdes: densidad aparente, apariencia, análisis.

Calcinación: es un proceso en el que el cuerpo verde del producto de carbono se llena en un horno de calentamiento especialmente diseñado bajo la protección del relleno para realizar un tratamiento térmico a alta temperatura para carbonizar la brea de carbón en el cuerpo verde. El coque bituminoso formado después de la carbonización del betún de carbón solidifica el agregado carbonoso y las partículas de polvo juntos, y el producto de carbón calcinado tiene alta resistencia mecánica, baja resistividad eléctrica, buena estabilidad térmica y estabilidad química. .

La calcinación es uno de los procesos principales en la producción de productos de carbono y también es una parte importante de los tres principales procesos de tratamiento térmico de la producción de electrodos de grafito. El ciclo de producción de calcinación es largo (22-30 días para horneado, 5-20 días para hornos de 2 horneados) y mayor consumo de energía. La calidad del tostado verde tiene un impacto en la calidad del producto terminado y en el costo de producción.

La brea de carbón verde en el cuerpo verde se coque durante el proceso de tostado, y aproximadamente el 10% de la materia volátil se descarga, y el volumen se produce mediante una contracción del 2-3% y la pérdida de masa es del 8-10%. Las propiedades físicas y químicas de la pieza de carbono también cambiaron significativamente. La porosidad disminuyó de 1,70 g/cm3 a 1,60 g/cm3 y la resistividad disminuyó de 10000 μΩ·m a 40-50 μΩ·m debido al aumento de la porosidad. La resistencia mecánica del tocho calcinado también era elevada. Para mejorar.

La cocción secundaria es un proceso en el que el producto calcinado se sumerge y luego se calcina para carbonizar la brea sumergida en los poros del producto calcinado. Los electrodos que requieren una mayor densidad aparente (todas las variedades excepto RP) y los espacios en blanco para juntas deben hornearse en bihorno, y los espacios en blanco para juntas también se someten a un horneado de tres inmersiones y cuatro o de dos inmersiones y tres horneados.

Tipo de horno principal de tostador:
Funcionamiento continuo: horno de anillo (con tapa, sin tapa), horno de túnel
Operación intermitente: horno inverso, tostador bajo piso, tostador de caja

Curva de calcinación y temperatura máxima:
Tostado una sola vez: -320, 360, 422, 480 horas, 1250 °C
Tostado secundario: -125, 240, 280 horas, 700-800 °C

Inspección de productos horneados: apariencia, resistividad eléctrica, densidad aparente, resistencia a la compresión, análisis de la estructura interna.

La impregnación es un proceso en el que se coloca un material de carbono en un recipiente a presión y la brea líquida impregnante se sumerge en los poros del electrodo del producto bajo ciertas condiciones de temperatura y presión. El propósito es reducir la porosidad del producto, aumentar la densidad aparente y la resistencia mecánica del producto y mejorar la conductividad eléctrica y térmica del producto.

El proceso de impregnación y los parámetros técnicos relacionados son: tostado de la palanquilla – limpieza de la superficie – precalentamiento (260-380 °C, 6-10 horas) – carga del tanque de impregnación – aspirado (8-9 KPa, 40-50 min) – Inyección de betún (180 -200 °C) – Presurización (1,2-1,5 MPa, 3-4 horas) – Retorno al asfalto – Enfriamiento (dentro o fuera del tanque)

Inspección de productos impregnados: tasa de ganancia de peso de impregnación G=(W2-W1)/W1×100%
Una tasa de aumento de peso de inmersión ≥14%
Tasa de aumento de peso del producto impregnado secundario ≥ 9%
Tasa de aumento de peso de tres productos de inmersión ≥ 5%

La grafitización se refiere a un proceso de tratamiento térmico a alta temperatura en el que un producto de carbono se calienta a una temperatura de 2300 °C o más en un medio protector en un horno eléctrico de alta temperatura para convertir una estructura de carbono amorfa en capas en una estructura tridimensional ordenada. Estructura cristalina de grafito.

El propósito y efecto de la grafitización:
1 mejorar la conductividad y la conductividad térmica del material de carbono (la resistividad se reduce de 4 a 5 veces y la conductividad térmica aumenta aproximadamente 10 veces);
2 mejorar la resistencia al choque térmico y la estabilidad química del material de carbono (coeficiente de expansión lineal reducido entre un 50 y un 80 %);
3 para hacer que el material de carbono tenga lubricidad y resistencia a la abrasión;
4 Impurezas de escape, mejoran la pureza del material de carbono (el contenido de cenizas del producto se reduce del 0,5-0,8% a aproximadamente el 0,3%).

La realización del proceso de grafitización:

La grafitización del material de carbono se lleva a cabo a una temperatura alta de 2300-3000 °C, por lo que solo puede realizarse mediante calentamiento eléctrico en la industria, es decir, la corriente pasa directamente a través del producto calcinado calentado y el producto calcinado cargado. En el horno es generado por la corriente eléctrica a alta temperatura. El conductor es nuevamente un objeto que se calienta a alta temperatura.

Los hornos que se utilizan ampliamente actualmente incluyen los hornos de grafitización Acheson y los hornos de cascada de calor interno (LWG). El primero tiene una gran potencia, una gran diferencia de temperatura y un alto consumo de energía. Este último tiene un tiempo de calentamiento corto, bajo consumo de energía, resistividad eléctrica uniforme y no es apto para montaje.

El control del proceso de grafitización se controla midiendo la curva de energía eléctrica adecuada para la condición de aumento de temperatura. El tiempo de suministro de energía es de 50 a 80 horas para el horno Acheson y de 9 a 15 horas para el horno LWG.

El consumo de energía de la grafitización es muy grande, generalmente de 3200 a 4800 KWh, y el costo del proceso representa aproximadamente del 20 al 35% del costo total de producción.

Inspección de productos grafitizados: aspecto, golpeteo, prueba de resistividad.

Mecanizado: El propósito del mecanizado mecánico de materiales de grafito de carbono es lograr el tamaño, forma, precisión, etc. requeridos mediante corte para fabricar el cuerpo del electrodo y las juntas de acuerdo con los requisitos de uso.

El procesamiento de electrodos de grafito se divide en dos procesos de procesamiento independientes: cuerpo del electrodo y junta.

El procesamiento del cuerpo incluye tres pasos: mandrinar y desbastar la cara del extremo plano, círculo exterior y cara del extremo plano y rosca de fresado. El procesamiento de juntas cónicas se puede dividir en 6 procesos: corte, cara de extremo plano, cara de cono de automóvil, rosca de fresado, perno de perforación y ranurado.

Conexión de juntas de electrodos: conexión de junta cónica (tres hebillas y una hebilla), conexión de junta cilíndrica, conexión de tope (conexión macho y hembra)

Control de la precisión del mecanizado: desviación del cono de la rosca, paso de la rosca, desviación del diámetro grande de la junta (agujero), coaxialidad del orificio de la junta, verticalidad del orificio de la junta, planitud de la cara del extremo del electrodo, desviación de cuatro puntos de la junta. Verifique con calibres de anillo y calibres de placa especiales.

Inspección de electrodos terminados: precisión, peso, longitud, diámetro, densidad aparente, resistividad, tolerancia de premontaje, etc.