Proses produksi elektroda grafit

Elektroda grafit adalah bahan konduktif grafit tahan suhu tinggi yang dihasilkan oleh adonan minyak bumi, kokas jarum sebagai agregat, dan bitumen batubara sebagai pengikat, yang diproduksi melalui serangkaian proses seperti pengadukan, pencetakan, pemanggangan, impregnasi, grafitisasi, dan pemrosesan mekanis. bahan.

Elektroda grafit adalah bahan konduktif suhu tinggi yang penting untuk pembuatan baja listrik. Elektroda grafit digunakan untuk memasukkan energi listrik ke tungku listrik, dan suhu tinggi yang dihasilkan oleh busur antara ujung elektroda dan muatan digunakan sebagai sumber panas untuk melelehkan muatan untuk pembuatan baja. Tungku bijih lain yang melebur bahan seperti fosfor kuning, silikon industri, dan bahan abrasif juga menggunakan elektroda grafit sebagai bahan konduktif. Sifat fisik dan kimia elektroda grafit yang sangat baik dan istimewa juga banyak digunakan di sektor industri lainnya.
Bahan baku untuk produksi elektroda grafit adalah kokas minyak bumi, kokas jarum, dan tar batubara.

Kokas minyak bumi adalah produk padat yang mudah terbakar yang diperoleh dari kokas residu batu bara dan minyak bumi. Warnanya hitam dan berpori, unsur utamanya karbon, dan kadar abu sangat rendah, umumnya di bawah 0,5%. Kokas minyak bumi termasuk dalam kelas karbon yang mudah digrafit. Kokas minyak bumi memiliki berbagai kegunaan dalam industri kimia dan metalurgi. Ini adalah bahan baku utama untuk memproduksi produk grafit buatan dan produk karbon untuk aluminium elektrolitik.

Kokas minyak bumi dapat dibagi menjadi dua jenis: kokas mentah dan kokas terkalsinasi menurut suhu perlakuan panas. Kokas minyak bumi bekas yang diperoleh dengan kokas tertunda mengandung sejumlah besar zat yang mudah menguap, dan kekuatan mekaniknya rendah. Kokas terkalsinasi diperoleh dengan kalsinasi kokas mentah. Sebagian besar kilang di Tiongkok hanya memproduksi kokas, dan operasi kalsinasi sebagian besar dilakukan di pabrik karbon.

Kokas minyak bumi dapat dibagi menjadi kokas belerang tinggi (mengandung belerang lebih dari 1,5%), kokas belerang sedang (mengandung belerang 0,5%-1,5%), dan kokas belerang rendah (mengandung belerang kurang dari 0,5%). Produksi elektroda grafit dan produk grafit buatan lainnya umumnya diproduksi menggunakan kokas belerang rendah.

Kokas jarum adalah sejenis kokas berkualitas tinggi dengan tekstur berserat yang jelas, koefisien muai panas yang sangat rendah, dan grafitisasi yang mudah. Ketika kokas dipecah, ia dapat dipecah menjadi potongan-potongan tipis sesuai teksturnya (rasio aspek umumnya di atas 1,75). Struktur berserat anisotropik dapat diamati di bawah mikroskop polarisasi, dan oleh karena itu disebut sebagai kokas jarum.

Anisotropi sifat fisik dan mekanik kokas jarum sangat jelas. Ia memiliki konduktivitas listrik dan termal yang baik sejajar dengan arah sumbu panjang partikel, dan koefisien muai panasnya rendah. Saat pencetakan ekstrusi, sumbu panjang sebagian besar partikel disusun dalam arah ekstrusi. Oleh karena itu, kokas jarum adalah bahan mentah utama untuk pembuatan elektroda grafit berdaya tinggi atau sangat tinggi. Elektroda grafit yang dihasilkan memiliki resistivitas rendah, koefisien ekspansi termal kecil, dan ketahanan guncangan termal yang baik.

Kokas jarum dibagi menjadi kokas jarum berbahan dasar minyak yang dihasilkan dari residu minyak bumi dan kokas jarum berbahan dasar batubara yang dihasilkan dari bahan baku pitch batubara yang dimurnikan.

Tar batubara merupakan salah satu produk utama pengolahan dalam tar batubara. Merupakan campuran berbagai hidrokarbon, berwarna hitam pada suhu tinggi, semi padat atau padat pada suhu tinggi, tidak memiliki titik leleh tetap, melunak setelah dipanaskan, kemudian meleleh, dengan massa jenis 1,25-1,35 g/cm3. Menurut titik lembeknya, aspal dibagi menjadi aspal suhu rendah, suhu sedang dan suhu tinggi. Hasil aspal suhu sedang adalah 54-56% tar batubara. Komposisi tar batubara sangatlah rumit, hal ini berkaitan dengan sifat tar batubara dan kandungan heteroatom, serta dipengaruhi oleh sistem proses kokas dan kondisi pengolahan tar batubara. Ada banyak indikator untuk mengkarakterisasi pitch tar batubara, seperti titik pelunakan bitumen, toluene insolven (TI), quinoline insolven (QI), nilai kokas, dan reologi pitch batubara.

Tar batubara digunakan sebagai pengikat dan impregnasi dalam industri karbon, dan kinerjanya berdampak besar pada proses produksi dan kualitas produk karbon. Aspal pengikat umumnya menggunakan aspal modifikasi suhu sedang atau suhu sedang yang mempunyai titik lembek sedang, nilai kokas tinggi, dan resin β tinggi. Bahan impregnasinya adalah aspal bersuhu sedang yang memiliki titik lembek rendah, QI rendah, dan sifat reologi yang baik.

Gambar berikut menunjukkan proses produksi elektroda grafit di perusahaan karbon.
Kalsinasi: Bahan mentah berkarbon diberi perlakuan panas pada suhu tinggi untuk menghilangkan kelembapan dan bahan mudah menguap yang terkandung di dalamnya, dan proses produksi yang berhubungan dengan peningkatan kinerja pemasakan asli disebut kalsinasi. Umumnya bahan baku karbon dikalsinasi dengan menggunakan gas dan zat volatilnya sendiri sebagai sumber panas, dan suhu maksimumnya adalah 1250-1350 °C.

Kalsinasi membuat perubahan besar dalam struktur dan sifat fisikokimia bahan baku karbon, terutama dalam meningkatkan kepadatan, kekuatan mekanik dan konduktivitas listrik kokas, meningkatkan stabilitas kimia dan ketahanan oksidasi kokas, meletakkan dasar untuk proses selanjutnya. .

Peralatan kalsinasi terutama mencakup kalsiner tangki, tanur putar, dan kalsiner listrik. Indeks kendali mutu kalsinasi adalah kerapatan sebenarnya kokas minyak bumi tidak kurang dari 2,07g/cm3, resistivitas tidak lebih dari 550μΩ.m, kerapatan sebenarnya kokas jarum tidak kurang dari 2,12g/cm3, dan resistivitas tidak lebih dari 500μΩ.m.
Penghancuran bahan mentah dan bahan-bahannya

Sebelum batching, kokas minyak bumi terkalsinasi massal dan kokas jarum harus dihancurkan, digiling, dan diayak.

Penghancuran sedang biasanya dilakukan dengan peralatan penghancur berukuran sekitar 50 mm melalui jaw crusher, hammer crusher, roll crusher dan sejenisnya untuk menghancurkan lebih lanjut material berukuran 0,5-20 mm yang diperlukan untuk batching.

Penggilingan adalah proses penggilingan bahan berkarbon menjadi partikel kecil berbentuk tepung berukuran 0,15 mm atau kurang dan ukuran partikel 0,075 mm atau kurang dengan menggunakan ring roll mill tipe suspensi (Raymond mill), ball mill, atau sejenisnya. .

Penyaringan adalah suatu proses di mana berbagai bahan setelah dihancurkan dibagi menjadi beberapa rentang ukuran partikel dengan rentang ukuran yang sempit melalui serangkaian saringan dengan bukaan yang seragam. Produksi elektroda saat ini biasanya membutuhkan 4-5 pelet dan 1-2 jenis bubuk.

Bahan adalah proses produksi untuk menghitung, menimbang dan memfokuskan berbagai agregat agregat dan bubuk serta bahan pengikat sesuai dengan kebutuhan formulasi. Kesesuaian ilmiah dari formulasi dan stabilitas operasi batching merupakan salah satu faktor terpenting yang mempengaruhi indeks kualitas dan kinerja produk.

Rumusnya perlu menentukan 5 aspek:
1Pilih jenis bahan baku;
2 menentukan proporsi berbagai jenis bahan baku;
3 menentukan komposisi ukuran partikel bahan baku padat;
4 menentukan jumlah bahan pengikat;
5 Tentukan jenis dan jumlah bahan tambahan.

Pengulenan: Mencampur dan mengukur butiran dan bubuk karbon berbagai ukuran partikel dengan sejumlah bahan pengikat pada suhu tertentu, dan menguleni pasta plastisitas ke dalam proses yang disebut pengadukan.

Proses menguleni: pencampuran kering (20-35 menit) pencampuran basah (40-55 menit)

Peran menguleni:
1 Saat pencampuran kering, berbagai bahan mentah tercampur secara merata, dan bahan berkarbon padat dengan ukuran partikel berbeda dicampur dan diisi secara merata untuk meningkatkan kekompakan campuran;
2 Setelah menambahkan tar batubara, bahan kering dan aspal tercampur rata. Aspal cair melapisi dan membasahi permukaan butiran secara merata sehingga membentuk lapisan lapisan pengikat aspal, dan semua bahan diikat satu sama lain membentuk olesan plastik yang homogen. Kondusif untuk pencetakan;
3 bagian pitch tar batubara menembus ke dalam ruang dalam bahan berkarbon, selanjutnya meningkatkan kepadatan dan kekompakan pasta.

Pencetakan: Pencetakan bahan karbon mengacu pada proses deformasi plastis pasta karbon yang diremas di bawah gaya eksternal yang diterapkan oleh peralatan pencetakan untuk akhirnya membentuk benda hijau (atau produk mentah) yang memiliki bentuk, ukuran, kepadatan dan kekuatan tertentu. proses.

Jenis cetakan, peralatan dan produk yang dihasilkan:
Metode pencetakan
Peralatan umum
produk utama
cetakan
Mesin press hidrolik vertikal
Karbon listrik, grafit struktur halus bermutu rendah
Meremas
Ekstruder hidrolik horizontal
Pengekstrusi sekrup
Elektroda grafit, elektroda persegi
Cetakan getaran
Mesin cetak getaran
Bata karbon aluminium, bata karbon tanur tiup
Penekanan isostatik
Mesin cetak isostatik
Grafit isotropik, grafit anisotropik

Operasi pemerasan
1 bahan keren: bahan pendingin cakram, bahan pendingin silinder, bahan pendingin pencampuran dan pengadukan, dll.
Buang zat yang mudah menguap, turunkan ke suhu yang sesuai (90-120 ° C) untuk meningkatkan daya rekat, sehingga sifat blok pasta seragam selama 20-30 menit
2 Pemuatan: tekan penyekat pengangkat —– 2-3 kali pemotongan—-pemadatan 4-10MPa
3 pra-tekanan: tekanan 20-25MPa, waktu 3-5 menit, sambil menyedot debu
4 ekstrusi: tekan penyekat — ekstrusi 5-15MPa — potong — ke dalam bak pendingin

Parameter teknis ekstrusi: rasio kompresi, suhu ruang tekan dan nosel, suhu pendinginan, waktu tekanan preload, tekanan ekstrusi, kecepatan ekstrusi, suhu air pendingin

Inspeksi benda hijau: kepadatan curah, penyadapan tampilan, analisis

Kalsinasi: Ini adalah proses di mana badan hijau produk karbon diisi ke dalam tungku pemanas yang dirancang khusus di bawah perlindungan bahan pengisi untuk melakukan perlakuan panas suhu tinggi untuk mengkarbonisasi pitch batubara di badan hijau. Kokas aspal yang terbentuk setelah karbonisasi aspal batubara memadatkan agregat karbon dan partikel bubuk bersama-sama, dan produk karbon yang dikalsinasi memiliki kekuatan mekanik yang tinggi, resistivitas listrik yang rendah, stabilitas termal dan stabilitas kimia yang baik. .

Kalsinasi adalah salah satu proses utama dalam produksi produk karbon, dan juga merupakan bagian penting dari tiga proses perlakuan panas utama dalam produksi elektroda grafit. Siklus produksi kalsinasi panjang (22-30 hari untuk pemanggangan, 5-20 hari untuk tungku untuk 2 pemanggangan), dan konsumsi energi lebih tinggi. Kualitas pemanggangan hijau berdampak pada kualitas produk jadi dan biaya produksi.

Pitch batubara hijau dalam badan hijau menjadi kokas selama proses pemanggangan, dan sekitar 10% bahan mudah menguap dibuang, dan volume dihasilkan dengan penyusutan 2-3%, dan kehilangan massa 8-10%. Sifat fisik dan kimia billet karbon juga mengalami perubahan yang signifikan. Porositas menurun dari 1,70 g/cm3 menjadi 1,60 g/cm3 dan resistivitas menurun dari 10.000 μΩ·m menjadi 40-50 μΩ·m karena peningkatan porositas. Kekuatan mekanik dari billet yang dikalsinasi juga tinggi. Untuk perbaikan.

Pemanggangan sekunder adalah suatu proses dimana produk yang telah dikalsinasi direndam dan kemudian dikalsinasi untuk mengkarbonisasi pitch yang terendam dalam pori-pori produk yang dikalsinasi. Elektroda yang membutuhkan kepadatan curah yang lebih tinggi (semua jenis kecuali RP) dan blanko sambungan harus diberi bibak, dan blanko sambungan juga harus dipanggang tiga celupkan empat kali atau dua kali panggang tiga kali lipat.

Jenis pemanggang tungku utama:
Pengoperasian berkelanjutan—- tungku cincin (dengan penutup, tanpa penutup), terowongan kiln
Pengoperasian yang terputus-putus—- tanur terbalik, pemanggang di bawah lantai, pemanggang kotak

Kurva kalsinasi dan suhu maksimum:
Pemanggangan satu kali—-320, 360, 422, 480 jam, 1250 °C
Pemanggangan sekunder—-125, 240, 280 jam, 700-800 °C

Pemeriksaan produk yang dipanggang: penampilan penyadapan, resistivitas listrik, kepadatan curah, kekuatan tekan, analisis struktur internal

Impregnasi adalah proses di mana bahan karbon ditempatkan dalam bejana bertekanan dan pitch impregnasi cair direndam dalam pori-pori elektroda produk pada kondisi suhu dan tekanan tertentu. Tujuannya adalah untuk mengurangi porositas produk, meningkatkan densitas curah dan kekuatan mekanik produk, serta meningkatkan konduktivitas listrik dan termal produk.

Proses impregnasi dan parameter teknis terkait adalah: pemanggangan billet – pembersihan permukaan – pemanasan awal (260-380 °C, 6-10 jam) – memuat tangki impregnasi – penyedotan debu (8-9KPa, 40-50 menit) – Injeksi aspal (180 -200 °C) – Tekanan (1,2-1,5 MPa, 3-4 jam) – Kembali ke aspal – Pendinginan (di dalam atau di luar tangki)

Pemeriksaan produk yang diresapi: tingkat pertambahan berat impregnasi G=(W2-W1)/W1×100%
Tingkat kenaikan berat badan satu kali ≥14%
Tingkat pertambahan berat produk yang diresapi sekunder ≥ 9%
Tingkat kenaikan berat badan tiga produk celup ≥ 5%

Grafitisasi mengacu pada proses perlakuan panas suhu tinggi di mana produk karbon dipanaskan hingga suhu 2300 ° C atau lebih dalam media pelindung dalam tungku listrik suhu tinggi untuk mengubah struktur karbon berlapis amorf menjadi tatanan tiga dimensi. struktur kristal grafit.

Tujuan dan efek grafitisasi:
1 meningkatkan konduktivitas dan konduktivitas termal bahan karbon (resistivitas berkurang 4-5 kali lipat, dan konduktivitas termal meningkat sekitar 10 kali lipat);
2 meningkatkan ketahanan guncangan termal dan stabilitas kimia bahan karbon (koefisien ekspansi linier berkurang 50-80%);
3 untuk membuat pelumasan bahan karbon dan ketahanan abrasi;
4 Pengotor knalpot, meningkatkan kemurnian bahan karbon (kandungan abu produk berkurang dari 0,5-0,8% menjadi sekitar 0,3%).

Realisasi proses grafitisasi:

Grafitisasi bahan karbon dilakukan pada suhu tinggi 2300-3000 °C, sehingga hanya dapat dilakukan dengan pemanasan listrik di industri, yaitu arus langsung melewati produk kalsinasi yang dipanaskan, dan produk kalsinasi bermuatan. ke dalam tungku dihasilkan oleh arus listrik pada suhu tinggi. Konduktor juga merupakan benda yang dipanaskan sampai suhu tinggi.

Tungku yang saat ini banyak digunakan antara lain tungku grafitisasi Acheson dan tungku kaskade panas internal (LWG). Yang pertama memiliki output yang besar, perbedaan suhu yang besar, dan konsumsi daya yang tinggi. Yang terakhir ini memiliki waktu pemanasan yang singkat, konsumsi daya yang rendah, resistivitas listrik yang seragam, dan tidak cocok untuk pemasangan.

Pengendalian proses grafitisasi dikendalikan dengan mengukur kurva daya listrik yang sesuai dengan kondisi kenaikan suhu. Waktu penyaluran listrik adalah 50-80 jam untuk tungku Acheson dan 9-15 jam untuk tungku LWG.

Konsumsi daya grafitisasi sangat besar, umumnya 3200-4800KWh, dan biaya proses menyumbang sekitar 20-35% dari total biaya produksi.

Inspeksi produk grafit: penyadapan penampilan, uji resistivitas

Pemesinan: Tujuan pemesinan mekanis bahan grafit karbon adalah untuk mencapai ukuran, bentuk, presisi, dll. yang diperlukan dengan cara memotong untuk membuat badan dan sambungan elektroda sesuai dengan persyaratan penggunaan.

Pemrosesan elektroda grafit dibagi menjadi dua proses pemrosesan independen: badan elektroda dan sambungan.

Pemrosesan badan meliputi tiga langkah yaitu permukaan ujung datar yang membosankan dan kasar, lingkaran luar dan permukaan ujung datar serta benang penggilingan. Pemrosesan sambungan kerucut dapat dibagi menjadi 6 proses: pemotongan, permukaan ujung datar, permukaan kerucut mobil, benang penggilingan, baut pengeboran dan slotting.

Sambungan sambungan elektroda: sambungan kerucut (tiga gesper dan satu gesper), sambungan silinder, sambungan benjolan (sambungan jantan dan betina)

Kontrol akurasi pemesinan: deviasi lancip ulir, pitch ulir, deviasi diameter besar sambungan (lubang), koaksialitas lubang sambungan, vertikalitas lubang sambungan, kerataan permukaan ujung elektroda, deviasi empat titik sambungan. Periksa dengan pengukur cincin khusus dan pengukur pelat.

Pemeriksaan elektroda jadi: akurasi, berat, panjang, diameter, kepadatan massal, resistivitas, toleransi pra-perakitan, dll.