黒鉛電極の製造工程

黒鉛電極は、石油を混練し、骨材としてニードルコークス、バインダーとして石炭ビチューメンを混練、成型、焙焼、含浸、黒鉛化、機械加工などの一連の工程を経て製造される、高温耐性の黒鉛導電材です。材料。

黒鉛電極は電気製鋼にとって重要な高温導電材料です。黒鉛電極は電気炉に電気エネルギーを入力するために使用され、電極端と装入物との間のアークによって発生する高温は、製鋼のための装入物を溶かすための熱源として使用されます。黄リン、工業用シリコン、研磨材などの材料を精錬する他の鉱石炉でも、導電性材料としてグラファイト電極が使用されています。黒鉛電極の優れた特殊な物理的および化学的特性は、他の産業分野でも広く使用されています。
黒鉛電極の製造原料は石油コークス、ニードルコークス、コールタールピッチです。

石油コークスは、コークス炭残渣と石油ピッチから得られる可燃性の固体製品です。色は黒色で多孔質で、主成分は炭素で、灰分は非常に少なく、通常 0.5% 未満です。石油コークスは容易に黒鉛化する炭素の部類に属します。石油コークスは、化学および冶金産業で幅広い用途に使用されます。人造黒鉛製品や電解アルミニウム用炭素製品を製造するための主原料です。

石油コークスは熱処理温度により生コークスと焼成コークスの２種類に分けられます。ディレードコークス法で得られる前者の石油コークスは揮発分を多く含み、機械的強度が低い。か焼コークスは、生コークスをか焼することにより得られる。中国のほとんどの製油所はコークスのみを生産しており、か焼作業はほとんどが炭素工場で行われています。

石油コークスは、高硫黄コークス (1.5% 以上の硫黄を含む)、中硫黄コークス (0.5% ～ 1.5% の硫黄を含む)、および低硫黄コークス (0.5% 未満の硫黄を含む) に分類できます。黒鉛電極およびその他の人造黒鉛製品の製造は、一般に低硫黄コークスを使用して製造されます。

ニードルコークスは、明らかな繊維状の組織、非常に低い熱膨張係数、容易に黒鉛化する高品質コークスの一種です。コークスが壊れると、テクスチャーに応じて細いストリップに分割できます (アスペクト比は通常 1.75 以上)。異方性の繊維構造は偏光顕微鏡で観察できるため、ニードルコークスと呼ばれています。

ニードルコークスの物理機械的特性の異方性は非常に明白です。粒子の長軸方向に平行な電気・熱伝導性に優れ、熱膨張係数が低い。押出成形の際、ほとんどの粒子の長軸は押出方向に揃います。したがって、ニードルコークスは、高出力または超高出力グラファイト電極を製造するための重要な原料です。製造された黒鉛電極は、抵抗率が低く、熱膨張係数が小さく、耐熱衝撃性に優れています。

ニードルコークスは、石油残渣から製造される石油系ニードルコークスと、精製石炭ピッチ原料から製造される石炭系ニードルコークスに分かれます。

コールタールは、コールタール深層処理の主な製品の 1 つです。さまざまな炭化水素の混合物で、高温では黒色、高温では半固体または固体、固定融点はなく、加熱後に軟化し、その後溶融し、密度は 1.25 ～ 1.35 g/cm3 です。軟化点に応じて、低温アスファルト、中温アスファルト、高温アスファルトに分けられます。中温アスファルトの収率はコールタールの 54 ～ 56% です。コールタールの組成は非常に複雑であり、コールタールの性質やヘテロ原子の含有量に関連しており、コークス化プロセスシステムやコールタールの処理条件にも影響されます。ビチューメン軟化点、トルエン不溶分（TI）、キノリン不溶分（QI）、コークス化価、石炭ピッチのレオロジーなど、コールタールピッチを特徴付ける指標は数多くあります。

コールタールはカーボン産業においてバインダーや含浸剤として使用されており、その性能はカーボン製品の製造プロセスや製品品質に大きな影響を与えます。バインダーアスファルトとしては、一般に、適度な軟化点、コーキング価の高い、高βレジンを有する中温または中温改質アスファルトが使用される。含浸剤は、軟化点が低く、QI が低く、レオロジー特性が良好な中温アスファルトです。

次の図は、炭素企業における黒鉛電極の製造プロセスを示しています。
焼成：炭素質原料を高温で加熱処理して、それに含まれる水分や揮発分を放出させ、本来の調理性能を向上させる製造工程を焼成といいます。一般に、炭素質原料はガスとそれ自体の揮発分を熱源として焼成され、最高温度は1250～1350℃となります。

か焼は炭素質原料の構造と物理化学的性質に大きな変化をもたらし、主にコークスの密度、機械的強度、電気伝導率を改善し、コークスの化学的安定性と耐酸化性を改善し、その後のプロセスの基礎を築きます。 。

焼成設備には主にタンク焼成炉、ロータリーキルン、電気焼成炉などがあります。か焼の品質管理指標は、石油コークスの真密度が2.07g/cm3以上、比抵抗が550μΩ・m以下、ニードルコークスの真密度が2.12g/cm3以上、抵抗率は500μΩ・m以下です。
原料粉砕と成分

バッチ処理の前に、バルク焼成石油コークスとニードルコークスを粉砕、粉砕、篩い分けする必要があります。

中粉砕は、通常、ジョークラッシャー、ハンマークラッシャー、ロールクラッシャー等による５０ｍｍ程度の粉砕設備を用いて行われ、バッチ化に必要な０．５〜２０ｍｍサイズの原料をさらに粉砕する。

粉砕とは、炭素質材料を懸濁式リングロールミル（レーモンドミル）やボールミル等を用いて、０．１５ｍｍ以下、粒径０．０７５ｍｍ以下の粉末状の小粒子に粉砕する工程である。 。

スクリーニングは、粉砕後の広範囲の材料を、均一な目開きの一連のふるいを通して、狭い範囲のサイズのいくつかの粒度範囲に分割するプロセスです。現在の電極の製造には通常、4 ～ 5 個のペレットと 1 ～ 2 個の粉末グレードが必要です。

成分は、配合要件に従って骨材、粉末、結合剤のさまざまな骨材を計算、計量、集中させるための製造プロセスです。配合の科学的適合性とバッチ操作の安定性は、製品の品質指標と性能に影響を与える最も重要な要素の 1 つです。

この式では、次の 5 つの側面を決定する必要があります。
1原材料の種類を選択します。
2 さまざまな種類の原材料の割合を決定します。
３ 固体原料の粒径組成を決定する。
4 結合剤の量を決定します。
5 添加剤の種類と量を決定します。

混練：さまざまな粒径の炭素質の顆粒や粉末を一定の温度で一定量の結合剤と混合および定量化し、可塑性ペーストを混練して混練と呼ばれるプロセスに入れます。

混練工程：乾式混合（20～35分）湿式混合（40～55分）

捏ねる役割：
1 乾式混合する場合、さまざまな原料が均一に混合され、異なる粒子サイズの固体炭素質材料が均一に混合および充填されて、混合物の緻密性が向上します。
2 コールタールピッチを添加した後、乾燥材料とアスファルトを均一に混合します。液体アスファルトは顆粒の表面を均一にコーティングして濡らし、アスファルト結合層を形成し、すべての材料が互いに結合して均質なプラスチックスミアを形成します。成形に適しています。
3部のコールタールピッチが炭素質材料の内部空間に浸透し、ペーストの密度と凝集性をさらに高めます。

成形：炭素材料の成形とは、混練したカーボンペーストを成形装置により外力を加えて塑性変形させ、最終的に一定の形状、大きさ、密度、強度を有する成形体（または生製品）を形成する工程を指します。プロセス。

生産される成形品、設備、製品の種類:
成形方法
共通設備
主な製品
成形
縦型油圧プレス
電子カーボン、低品位微細構造黒鉛
絞る
横型油圧押出機
スクリュー押出機
グラファイト電極、角型電極
振動成形
振動成形機
アルミカーボン煉瓦、高炉用カーボン煉瓦
静水圧プレス
静水圧成形機
等方性グラファイト、異方性グラファイト

スクイズ動作
1 冷却材: ディスク冷却材、シリンダー冷却材、混合および混練冷却材など。
揮発性物質を排出し、接着力を高めるために適切な温度 (90 ～ 120 °C) に下げて、ペーストの塊状性が 20 ～ 30 分間均一になるようにします。
2 荷重: プレスリフトバッフル —– 2 ～ 3 回の切断 — -4 ～ 10MPa の圧縮
3回予圧：圧力20～25MPa、時間3～5分、真空引き中
4 押し出し: バッフルを押し下げる - 5 ～ 15MPa の押し出し - 切断 - 冷却シンクに入れる

押出の技術パラメータ: 圧縮比、プレスチャンバーとノズルの温度、冷却温度、予圧圧力時間、押出圧力、押出速度、冷却水温度

成形体検査：かさ密度、外観タッピング、分析

焼成：炭素製品のグリーンボディを充填剤の保護の下で特別に設計された加熱炉に充填し、高温熱処理を行ってグリーンボディ内の石炭ピッチを炭化するプロセスです。石炭アスファルトの炭化後に形成されるアスファルトコークスは、炭素質骨材と粉末粒子を一緒に凝固させ、焼成された炭素製品は高い機械的強度、低い電気抵抗率、良好な熱安定性および化学的安定性を備えます。 。

焼成は炭素製品の製造における主要プロセスの 1 つであり、黒鉛電極製造の 3 つの主要な熱処理プロセスの重要な部分でもあります。焼成の生産サイクルが長く（焼成で22～30日、2回の焼成炉で5～20日）、エネルギー消費量が高くなります。生焙煎の品質は、最終製品の品質と生産コストに影響を与えます。

グリーンボディ内の生炭ピッチは焙煎過程でコークス化され、約10％の揮発分が排出され、2〜3％の収縮により体積が発生し、質量損失は8〜10％になります。カーボンビレットの物理的および化学的特性も大きく変化しました。気孔率の増加により、気孔率は 1.70 g/cm3 から 1.60 g/cm3 に減少し、抵抗率は 10000 μΩ・m から 40 ～ 50 μΩ・m に減少しました。仮焼ビレットの機械的強度も大きかった。改善のため。

二次焼成は、仮焼体を浸漬した後、仮焼することにより、仮焼体の細孔に浸漬したピッチを炭化する工程である。より高い嵩密度が必要な電極（RPを除く全品種）およびジョイントブランクは2回ベークが必要であり、ジョイントブランクも3ディップ4ベークまたは2ディップ3ベークを行います。

焙煎機の主な炉の種類:
連続運転 - リング炉（カバーあり、カバーなし）、トンネルキルン
断続運転 - リバースキルン、床下焙煎機、箱焙煎機

焼成曲線と最高温度:
1 回焙煎 - -320、360、422、480 時間、1250 °C
二次焙煎—-125、240、280 時間、700 ～ 800 °C

焼成品の検査：外観タッピング、電気抵抗率、かさ密度、圧縮強度、内部構造解析

含浸とは、炭素材料を圧力容器に入れ、一定の温度と圧力条件下で液体含浸ピッチを製品電極の細孔に浸漬するプロセスです。その目的は、製品の気孔率を減らし、製品のかさ密度と機械的強度を高め、製品の電気伝導性と熱伝導性を向上させることです。

含浸プロセスと関連する技術パラメータは次のとおりです: ビレットの焙焼 – 表面洗浄 – 予熱 (260 ～ 380 °C、6 ～ 10 時間) – 含浸タンクへの装填 – 真空引き (8 ～ 9KPa、40 ～ 50 分) – アスファルトの注入 (180 -200℃） – 加圧（1.2～1.5MPa、3～4時間） – アスファルトに戻す – 冷却（タンク内またはタンク外）

含浸品の検査：含浸重量増加率G=(W2-W1)/W1×100%
1 回の浸漬重量増加率 ≥14%
二次含浸品重量増加率≧9%
3 つの浸漬製品の重量増加率 ≥ 5%

黒鉛化とは、炭素製品を高温電気炉内の保護媒体中で2300℃以上の温度に加熱し、非晶質の層状構造炭素を三次元規則構造に変換する高温熱処理プロセスを指します。グラファイトの結晶構造。

黒鉛化の目的と効果:
１．炭素材料の導電性と熱伝導性を向上させる（抵抗率は４〜５倍減少し、熱伝導率は約１０倍増加する）。
2 炭素材料の耐熱衝撃性と化学的安定性が向上します（線膨張係数が50〜80％減少）。
3 炭素材料の潤滑性と耐摩耗性を向上させる。
4 不純物を排出し、炭素材料の純度を向上させる（製品の灰分を0.5～0.8％から0.3％程度に低減）。

黒鉛化プロセスの実現:

炭素材料の黒鉛化は2300～3000℃の高温で行われるため、業界では電気加熱、つまり加熱された焼成物に直接電流を流し、焼成物を帯電させることでしか実現できません。炉内への熱は高温の電流によって発生します。導体もまた高温に加熱される物体です。

現在広く使用されている炉には、アチソン黒鉛化炉や内部加熱カスケード (LWG) 炉などがあります。前者は出力が大きく、温度差が大きく、消費電力も大きい。後者は加熱時間が短く、消費電力が低く、電気抵抗率が均一であるため、取り付けには適していません。

温度上昇条件に適した電力カーブを測定し、黒鉛化プロセスの制御を行います。通電時間はアチソン炉で50～80時間、LWG炉で9～15時間です。

黒鉛化の消費電力は非常に大きく、一般に3200～4800KWhであり、プロセスコストは総生産コストの約20～35％を占めます。

黒鉛化製品の検査：外観タッピング、比抵抗試験

機械加工：カーボングラファイト材料を機械加工することにより、用途に合わせて電極本体や接合部を切断し、必要な寸法、形状、精度等を得ることが目的となります。

グラファイト電極の加工は、電極本体と接合部の 2 つの独立した加工プロセスに分かれています。

本体加工は、中ぐり加工と平坦端面粗加工、外周円形と平坦端面、フライスねじの3工程で行われます。コニカルジョイントの加工は、切削、平端面、カーコーン面、フライスネジ、ドリルボルト、溝加工の6工程に分かれます。

電極ジョイントの接続：コニカルジョイント接続（3つのバックルと1つのバックル）、シリンドリカルジョイント接続、バンプ接続（オスとメスの接続）

加工精度管理：ねじテーパ偏差、ねじピッチ、継手（穴）大径偏差、継手穴同軸度、継手穴垂直度、電極端面平面度、継手4点偏差。専用のリングゲージ、プレートゲージで確認してください。

完成した電極の検査: 精度、重量、長さ、直径、かさ密度、抵抗率、組み立て前の公差など。