Proces produkcji elektrody grafitowej

Elektroda grafitowa to odporny na wysokie temperatury materiał przewodzący grafit, wytwarzany przez ugniatanie ropy naftowej, koks igłowy jako kruszywo i bitum węglowy jako spoiwo, które są wytwarzane w szeregu procesów, takich jak ugniatanie, formowanie, prażenie, impregnacja, grafityzacja i obróbka mechaniczna. tworzywo.

Elektroda grafitowa jest ważnym materiałem przewodzącym wysokie temperatury w elektrycznym wytwarzaniu stali. Elektroda grafitowa służy do wprowadzania energii elektrycznej do pieca elektrycznego, a wysoka temperatura generowana przez łuk pomiędzy końcem elektrody a wsadem jest wykorzystywana jako źródło ciepła do topienia wsadu do produkcji stali. Inne piece do wytapiania rudy, w których wytapiane są takie materiały, jak żółty fosfor, krzem przemysłowy i materiały ścierne, również wykorzystują elektrody grafitowe jako materiały przewodzące. Doskonałe i specjalne właściwości fizyczne i chemiczne elektrod grafitowych są również szeroko stosowane w innych sektorach przemysłu.
Surowcami do produkcji elektrod grafitowych są koks naftowy, koks igłowy oraz pak węglowy.

Koks naftowy jest palnym produktem stałym otrzymywanym z pozostałości węgla koksującego i paku naftowego. Kolor jest czarny i porowaty, głównym pierwiastkiem jest węgiel, a zawartość popiołu jest bardzo niska, zwykle poniżej 0,5%. Koks naftowy należy do klasy węgla łatwo ulegającego grafityzacji. Koks naftowy ma szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym i metalurgicznym. Jest głównym surowcem do produkcji wyrobów ze sztucznego grafitu i wyrobów węglowych do aluminium elektrolitycznego.

Koks naftowy można podzielić na dwa rodzaje: koks surowy i koks kalcynowany, w zależności od temperatury obróbki cieplnej. Były koks naftowy otrzymywany w procesie opóźnionego koksowania zawiera dużą ilość substancji lotnych, a wytrzymałość mechaniczna jest niska. Koks kalcynowany otrzymywany jest poprzez kalcynację surowego koksu. Większość rafinerii w Chinach produkuje wyłącznie koks, a operacje kalcynacji przeprowadzane są głównie w zakładach węglowych.

Koks naftowy można podzielić na koks wysokosiarkowy (zawierający więcej niż 1,5% siarki), koks średniosiarkowy (zawierający 0,5%-1,5% siarki) i koks niskosiarkowy (zawierający mniej niż 0,5% siarki). Produkcja elektrod grafitowych i innych wyrobów ze sztucznego grafitu odbywa się zazwyczaj przy użyciu koksu o niskiej zawartości siarki.

Koks igłowy to gatunek wysokiej jakości koksu o wyraźnie włóknistej teksturze, bardzo niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej i łatwej grafityzacji. Gdy koks ulegnie rozdrobnieniu, można go podzielić na smukłe paski w zależności od tekstury (stosunek kształtu wynosi zazwyczaj powyżej 1,75). Pod mikroskopem polaryzacyjnym można zaobserwować anizotropową strukturę włóknistą i dlatego nazywa się ją koksem igłowym.

Anizotropia właściwości fizyko-mechanicznych koksu igłowego jest bardzo oczywista. Ma dobrą przewodność elektryczną i cieplną równolegle do kierunku długiej osi cząstki, a współczynnik rozszerzalności cieplnej jest niski. Podczas formowania przez wytłaczanie długa oś większości cząstek jest ułożona w kierunku wytłaczania. Dlatego koks igłowy jest kluczowym surowcem do produkcji elektrod grafitowych dużej lub bardzo dużej mocy. Wytworzona elektroda grafitowa ma niską rezystywność, mały współczynnik rozszerzalności cieplnej i dobrą odporność na szok termiczny.

Koks igłowy dzielimy na koks igłowy na bazie oleju wytwarzany z pozostałości ropy naftowej oraz koks igłowy na bazie węgla, wytwarzany z surowców rafinowanych paku węglowego.

Smoła węglowa jest jednym z głównych produktów głębokiego przerobu smoły węglowej. Jest mieszaniną różnych węglowodorów, czarną w wysokiej temperaturze, półstałą lub stałą w wysokiej temperaturze, bez ustalonej temperatury topnienia, mięknącą po podgrzaniu, a następnie topioną, o gęstości 1,25-1,35 g/cm3. Ze względu na temperaturę mięknienia dzieli się go na asfalt niskotemperaturowy, średniotemperaturowy i wysokotemperaturowy. Wydajność asfaltu średniotemperaturowego wynosi 54-56% smoły węglowej. Skład smoły węglowej jest niezwykle skomplikowany, co jest związane z właściwościami smoły węglowej i zawartością heteroatomów, a także ma na nią wpływ system procesu koksowania i warunki przetwarzania smoły węglowej. Istnieje wiele wskaźników charakteryzujących pak węglowy, takich jak temperatura mięknienia bitumu, substancje nierozpuszczalne w toluenie (TI), substancje nierozpuszczalne w chinolinie (QI), wartości koksowania i reologia paku węglowego.

Smoła węglowa stosowana jest jako spoiwo i impregnat w przemyśle węglowym, a jej działanie ma ogromny wpływ na proces produkcji i jakość produktów węglowych. W asfalcie wiążącym na ogół stosuje się asfalt modyfikowany średniotemperaturowy lub średniotemperaturowy, mający umiarkowaną temperaturę mięknienia, wysoką wartość koksowania i wysoką żywicę β. Środek impregnujący jest asfaltem średniotemperaturowym o niskiej temperaturze mięknienia, niskim QI i dobrych właściwościach reologicznych.

Poniższy rysunek przedstawia proces produkcji elektrody grafitowej w przedsiębiorstwie węglowym.
Kalcynacja: Surowiec zawierający węgiel poddaje się obróbce cieplnej w wysokiej temperaturze w celu usunięcia zawartej w nim wilgoci i substancji lotnych, a proces produkcyjny odpowiadający poprawie pierwotnej wydajności gotowania nazywa się kalcynacją. Ogólnie rzecz biorąc, surowiec węglowy kalcynuje się przy użyciu gazu i jego własnych substancji lotnych jako źródła ciepła, a maksymalna temperatura wynosi 1250–1350 °C.

Kalcynacja powoduje głębokie zmiany w strukturze i właściwościach fizykochemicznych surowców węglowych, głównie poprzez poprawę gęstości, wytrzymałości mechanicznej i przewodności elektrycznej koksu, poprawę stabilności chemicznej i odporności koksu na utlenianie, kładąc podwaliny pod dalszy proces. .

Sprzęt do kalcynacji obejmuje głównie kalcynator zbiornikowy, piec obrotowy i kalcynator elektryczny. Wskaźnik kontroli jakości kalcynacji jest taki, że rzeczywista gęstość koksu naftowego jest nie mniejsza niż 2,07 g/cm3, rezystywność nie większa niż 550μΩ.m, rzeczywista gęstość koksu igłowego jest nie mniejsza niż 2,12 g/cm3, a rezystywność nie przekracza 500μΩ.m.
Kruszenie surowców i składniki

Przed dozowaniem kalcynowany koks naftowy i koks igłowy należy rozdrobnić, zmielić i przesiać.

Średnie kruszenie zwykle przeprowadza się za pomocą sprzętu do kruszenia o średnicy około 50 mm za pomocą kruszarki szczękowej, kruszarki młotkowej, kruszarki walcowej itp. w celu dalszego kruszenia materiału o wielkości 0,5–20 mm wymaganego do dozowania.

Mielenie to proces mielenia materiału węglowego na małe cząstki proszku o średnicy 0,15 mm lub mniejszej i wielkości cząstek 0,075 mm lub mniejszej za pomocą młyna pierścieniowego typu zawiesinowego (młynek Raymonda), młyna kulowego lub podobnego .

Przesiewanie to proces, w którym szeroka gama materiałów po rozdrobnieniu jest dzielona na kilka zakresów wielkości cząstek o wąskim zakresie wielkości poprzez szereg sit o jednakowych otworach. Produkcja elektrod prądowych zwykle wymaga 4-5 peletek i 1-2 gatunków proszku.

Składniki to procesy produkcyjne służące do obliczania, ważenia i koncentrowania różnych agregatów kruszyw, proszków i spoiw zgodnie z wymaganiami receptury. Naukowa przydatność receptury i stabilność operacji dozowania należą do najważniejszych czynników wpływających na wskaźnik jakości i działanie produktu.

Formuła musi określić 5 aspektów:
1Wybierz rodzaj surowców;
2 określić proporcje poszczególnych rodzajów surowców;
3 określenie składu wielkości cząstek stałego surowca;
4 określić ilość spoiwa;
5 Określ rodzaj i ilość dodatków.

Ugniatanie: Mieszanie i oznaczanie ilościowe granulatów i proszków węglowych o różnej wielkości cząstek z pewną ilością spoiwa w określonej temperaturze i ugniatanie pasty plastycznej w procesie zwanym ugniataniem.

Proces ugniatania: mieszanie na sucho (20-35 min) mieszanie na mokro (40-55 min)

Rola ugniatania:
1 Podczas mieszania na sucho różne surowce są równomiernie mieszane, a stałe materiały węglowe o różnej wielkości cząstek są równomiernie mieszane i wypełniane, aby poprawić zwartość mieszaniny;
2 Po dodaniu paku węglowego suchy materiał i asfalt miesza się równomiernie. Płynny asfalt równomiernie pokrywa i zwilża powierzchnię granulek, tworząc warstwę warstwy wiążącej asfalt, a wszystkie materiały są ze sobą powiązane, tworząc jednorodną plastyczną masę. Sprzyja formowaniu;
3 części paku węglowego wnikają w wewnętrzną przestrzeń materiału węglowego, dodatkowo zwiększając gęstość i spoistość pasty.

Formowanie: Formowanie materiału węglowego odnosi się do procesu plastycznego odkształcania ugniecionej pasty węglowej pod wpływem siły zewnętrznej wywieranej przez sprzęt do formowania, aby ostatecznie uformować surową bryłę (lub surowy produkt) mającą określony kształt, rozmiar, gęstość i wytrzymałość. proces.

Rodzaje form, urządzeń i produkowanych wyrobów:
Metoda formowania
Wspólne wyposażenie
główne produkty
Odlewanie
Pionowa prasa hydrauliczna
Węgiel elektryczny, niskogatunkowy grafit o drobnej strukturze
Ściśnięcie
Pozioma wytłaczarka hydrauliczna
Wytłaczarka śrubowa
Elektroda grafitowa, elektroda kwadratowa
Formowanie wibracyjne
Maszyna do formowania wibracyjnego
Cegła aluminiowa węglowa, cegła wielkopiecowa
Prasowanie izostatyczne
Formierka izostatyczna
Grafit izotropowy, grafit anizotropowy

Operacja wyciskania
1 fajny materiał: materiał do chłodzenia dysku, materiał do chłodzenia cylindra, materiały chłodzące do mieszania i ugniatania itp.
Rozładować substancje lotne, doprowadzić do odpowiedniej temperatury (90-120°C) w celu zwiększenia przyczepności, tak aby blokowość pasty była jednolita przez 20-30 min
2 Ładowanie: prasa podnosząca przegrodę —– 2-3 krotne cięcie — - zagęszczenie 4-10 MPa
3 ciśnienie wstępne: ciśnienie 20-25MPa, czas 3-5min, podczas odkurzania
4 wytłaczanie: dociśnij przegrodę — wytłaczanie 5-15 MPa — wytnij — do zlewu chłodzącego

Parametry techniczne wytłaczania: stopień sprężania, temperatura komory prasy i dyszy, temperatura chłodzenia, czas docisku wstępnego, ciśnienie wytłaczania, prędkość wytłaczania, temperatura wody chłodzącej

Kontrola ciała zielonego: gęstość nasypowa, badanie wyglądu, analiza

Kalcynacja: Jest to proces, w którym surowa masa produktu węglowego jest napełniana w specjalnie zaprojektowanym piecu grzewczym pod osłoną wypełniacza w celu przeprowadzenia wysokotemperaturowej obróbki cieplnej w celu zwęglenia paku węglowego w surowej masie. Koks bitumiczny powstający po karbonizacji bitumu węglowego zestala kruszywo węglowe i cząstki proszku, a kalcynowany produkt węglowy ma wysoką wytrzymałość mechaniczną, niską oporność elektryczną, dobrą stabilność termiczną i stabilność chemiczną. .

Kalcynacja jest jednym z głównych procesów wytwarzania produktów węglowych, a także ważną częścią trzech głównych procesów obróbki cieplnej podczas produkcji elektrod grafitowych. Cykl produkcyjny kalcynacji jest długi (22-30 dni dla wypieku, 5-20 dni dla pieców dla 2 wypieków) i wiąże się z większym zużyciem energii. Jakość zielonego prażenia ma wpływ na jakość gotowego produktu i koszt produkcji.

Smoła węglowa w surówce jest koksowana podczas procesu prażenia i usuwa się około 10% substancji lotnych, a objętość powstaje w wyniku skurczu o 2-3%, a utrata masy wynosi 8-10%. Znacząco zmieniły się także właściwości fizyczne i chemiczne kęsów węglowych. Porowatość spadła z 1,70 g/cm3 do 1,60 g/cm3, a rezystywność spadła z 10000 μΩ·m do 40-50 μΩ·m w wyniku wzrostu porowatości. Wytrzymałość mechaniczna kęsa kalcynowanego była również duża. Do poprawy.

Wypalanie wtórne to proces, w którym produkt kalcynowany jest zanurzany, a następnie kalcynowany w celu zwęglenia paku zanurzonego w porach produktu kalcynowanego. Elektrody wymagające większej gęstości nasypowej (wszystkie odmiany z wyjątkiem RP) i półfabrykaty złączy muszą być wypalane, a półfabrykaty złączy poddawane są również procesowi trój-drogowe-cztery-wypalanie lub dwu-drogowe-trzy-wypalanie.

Typ głównego pieca palarni:
Praca ciągła – piec pierścieniowy (z pokrywą, bez pokrywy), piec tunelowy
Praca przerywana — piec odwrócony, prażalnik podpodłogowy, piec skrzynkowy

Krzywa kalcynacji i maksymalna temperatura:
Jednorazowe pieczenie — -320, 360, 422, 480 godzin, 1250°C
Prażenie wtórne — -125, 240, 280 godzin, 700-800°C

Kontrola wyrobów wypiekanych: badanie wyglądu, oporność elektryczna, gęstość nasypowa, wytrzymałość na ściskanie, analiza struktury wewnętrznej

Impregnacja to proces, w którym materiał węglowy umieszcza się w naczyniu ciśnieniowym, a ciekły pak impregnujący zanurza się w porach elektrody produktu w określonych warunkach temperatury i ciśnienia. Celem jest zmniejszenie porowatości produktu, zwiększenie gęstości nasypowej i wytrzymałości mechanicznej produktu oraz poprawa przewodności elektrycznej i cieplnej produktu.

Proces impregnacji i związane z nim parametry techniczne to: prażenie kęsa – czyszczenie powierzchni – podgrzewanie (260-380°C, 6-10 godzin) – załadunek zbiornika impregnacyjnego – odkurzanie (8-9KPa, 40-50min) – Wtrysk asfaltu (180 -200°C) – Zwiększanie ciśnienia (1,2-1,5 MPa, 3-4 godziny) – Powrót do asfaltu – Chłodzenie (wewnątrz lub na zewnątrz zbiornik)

Kontrola wyrobów impregnowanych: współczynnik przyrostu masy impregnatu G=(W2-W1)/W1×100%
Wskaźnik przyrostu masy ciała po jednym zanurzeniu ≥14%
Stopień przyrostu masy produktu impregnowanego wtórnie ≥ 9%
Wskaźnik przyrostu masy trzech produktów do zanurzania ≥ 5%

Grafityzacja odnosi się do procesu obróbki cieplnej w wysokiej temperaturze, w którym produkt węglowy jest podgrzewany do temperatury 2300°C lub wyższej w ośrodku ochronnym w wysokotemperaturowym piecu elektrycznym w celu przekształcenia amorficznej struktury warstwowej węgla w uporządkowany trójwymiarowy struktura kryształu grafitu.

Cel i efekt grafityzacji:
1 poprawić przewodność i przewodność cieplną materiału węglowego (rezystywność zmniejsza się 4-5 razy, a przewodność cieplna zwiększa się około 10 razy);
2 poprawiają odporność na szok termiczny i stabilność chemiczną materiału węglowego (współczynnik rozszerzalności liniowej zmniejszony o 50-80%);
3, aby zapewnić smarność i odporność materiału węglowego na ścieranie;
4 Usuń zanieczyszczenia, polepsz czystość materiału węglowego (zawartość popiołu w produkcie zmniejsza się z 0,5-0,8% do około 0,3%).

Realizacja procesu grafityzacji:

Grafityzację materiału węglowego przeprowadza się w wysokiej temperaturze 2300-3000 °C, dlatego w przemyśle można ją przeprowadzić wyłącznie poprzez ogrzewanie elektryczne, to znaczy prąd przepływa bezpośrednio przez podgrzany kalcynowany produkt, a kalcynowany produkt jest ładowany do pieca wytwarzany jest przez prąd elektryczny o wysokiej temperaturze. Przewodnik jest ponownie przedmiotem nagrzanym do wysokiej temperatury.

Do szeroko stosowanych obecnie pieców zaliczają się piece grafityzacyjne Acheson i piece z wewnętrzną kaskadą cieplną (LWG). Ten pierwszy charakteryzuje się dużą mocą wyjściową, dużą różnicą temperatur i dużym zużyciem energii. Ten ostatni ma krótki czas nagrzewania, niski pobór mocy, jednolitą oporność elektryczną i nie nadaje się do montażu.

Sterowanie procesem grafityzacji odbywa się poprzez pomiar krzywej mocy elektrycznej odpowiedniej dla warunków wzrostu temperatury. Czas zasilania wynosi 50-80 godzin dla pieca Acheson i 9-15 godzin dla pieca LWG.

Zużycie energii podczas grafityzacji jest bardzo duże, zwykle 3200-4800 kWh, a koszt procesu stanowi około 20-35% całkowitego kosztu produkcji.

Kontrola wyrobów grafitowanych: gwintowanie wyglądu, badanie rezystywności

Obróbka skrawaniem: Celem obróbki mechanicznej materiałów z grafitu węglowego jest osiągnięcie wymaganego rozmiaru, kształtu, precyzji itp. poprzez cięcie w celu uzyskania korpusu elektrody i połączeń zgodnie z wymaganiami użytkowania.

Obróbkę elektrody grafitowej dzieli się na dwa niezależne procesy obróbki: korpus elektrody i złącze.

Obróbka korpusu obejmuje trzy etapy wytaczania i szorstkiej płaskiej powierzchni czołowej, zewnętrznego koła i płaskiej powierzchni czołowej oraz frezowania gwintu. Obróbkę złącza stożkowego można podzielić na 6 procesów: cięcie, płaska powierzchnia czołowa, powierzchnia stożkowa samochodu, gwint frezowany, śruba wiertnicza i dłutowanie.

Połączenie złączy elektrodowych: połączenie stożkowe (trzy klamry i jedna klamra), połączenie cylindryczne, połączenie odciskowe (połączenie męskie i żeńskie)

Kontrola dokładności obróbki: odchylenie stożka gwintu, skok gwintu, odchylenie dużej średnicy złącza (otwóru), współosiowość otworu złącza, pionowość otworu złącza, płaskość powierzchni czołowej elektrody, odchylenie czteropunktowe złącza. Sprawdź za pomocą specjalnych sprawdzianów pierścieniowych i sprawdzianów płytkowych.

Kontrola gotowych elektrod: dokładność, waga, długość, średnica, gęstość nasypowa, rezystywność, tolerancja przed montażem itp.