Råvarer for produksjon av grafitt er petroleumskoks, nålkoks og kullbek
Petroleumskoks er et brennbart fast produkt hentet fra petroleumsrester og petroleumsasfalt gjennom koksing. Den er svart, porøs, består hovedsakelig av karbon, og har et svært lavt askeinnhold, vanligvis under 0,5 %. Petroleumskoks tilhører kategorien lett grafitiserbare karboner og finner brede anvendelser i bransjer som kjemiteknikk og metallurgi. Det fungerer som et viktig råmateriale for produksjon av kunstige grafittprodukter og karbonprodukter som brukes i aluminiumelektrolyse. Petroleumskoks kan kategoriseres i råkoks og kalsinert koks basert på temperaturen på termisk behandling. Førstnevnte, oppnådd gjennom forsinket koksing, inneholder en stor mengde flyktig materiale og har lav mekanisk styrke, mens sistnevnte er avledet fra kalsinering av råkoks. De fleste raffinerier i Kina produserer kun rå koks, og kalsinering utføres primært i karbonanlegg.
Petroleumskoks kan klassifiseres i koks med høyt svovelinnhold (med svovelinnhold over 1,5 %), koks med middels svovel (med svovelinnhold fra 0,5 % til 1,5 %) og koks med lavt svovelinnhold (med svovel). innhold under 0,5 %), basert på svovelinnholdet. Koks med lavt svovelinnhold brukes vanligvis i produksjon av kunstige grafittprodukter.
Nålkoks er en høykvalitetskoks preget av en distinkt fibrøs tekstur, eksepsjonelt lav termisk ekspansjonskoeffisient og enkel grafitisering. Når den brytes, deler den seg i slanke granuler langs fibrene (med et lengde-til-breddeforhold generelt over 1,75). Under polarisert lysmikroskopi kan dens anisotrope fibrøse struktur observeres, derav navnet "nålkoks".
Anisotropien til nålkoksens fysiske og mekaniske egenskaper er ganske uttalt. Den viser utmerket ledningsevne og termisk ledningsevne langs partiklers lange akse. Med en lav termisk ekspansjonskoeffisient, under ekstruderingsstøping, justerer de fleste partikler seg langs ekstruderingsretningen. Derfor er nålkoks et avgjørende råmateriale for grafittproduksjon, noe som resulterer i grafitt med lav elektrisk resistivitet, lav termisk ekspansjonskoeffisient og god termisk sjokkmotstand.
Nålkoks deles inn i oljebasert nålkoks produsert av petroleumsrester og kullbasert nålkoks produsert av raffinert kulltjærebek.
Kulltjærebek er et av hovedproduktene for dypbehandling av kulltjære. Det er en blanding av forskjellige hydrokarboner, typisk et svart halvfast stoff med høy viskositet eller fast stoff ved romtemperatur, uten fast smeltepunkt. Den mykner ved oppvarming og smelter deretter, med en tetthet som varierer fra 1,25 til 1,35 g/cm³. Den kan klassifiseres i lavtemperatur-, middeltemperatur- og høytemperaturplasser basert på mykgjøringspunktet. Bek ved middels temperatur står for 54-56 % av kulltjæreutbyttet. Sammensetningen av kulltjærebek er ekstremt kompleks, avhengig av egenskapene til kulltjære og innholdet av heteroatomer. Det er også påvirket av koksprosessen og kulltjærebehandlingsforholdene. Det er mange indikatorer for å karakterisere egenskapene til kulltjærebek, slik som mykningspunkt, toluen-uløselige stoffer (TI), kinolin-uløselige stoffer (QI), koksverdi og reologiske egenskaper.
Kulltjærebek brukes som bindemiddel og impregneringsmiddel i karbonindustrien, med ytelsen som i stor grad påvirker produksjonsprosessen og produktkvaliteten til karbonprodukter. For bindemidler brukes vanligvis middels temperatur eller modifisert middels temperatur beg med moderate mykningspunkter, høye koksverdier og høyt harpiksinnhold. For impregneringsmidler foretrekkes middeltemperaturbeger med lavere mykgjøringspunkter, lav QI og gode reologiske egenskaper.
Kalsinering er termisk behandling av karbonholdige materialer ved høye temperaturer for å fjerne fuktighet og flyktige stoffer og forbedre de fysiske og kjemiske egenskapene til råvarene. Karbonholdige materialer kalsineres vanligvis ved å bruke gass eller deres egne flyktige stoffer som varmekilder, med temperaturer som når 1250-1350 grader.
Kalsinering fører til dyptgripende endringer i strukturen og de fysisk-kjemiske egenskapene til karbonholdige materialer. Det øker først og fremst tettheten, den mekaniske styrken og ledningsevnen til koks, forbedrer dens kjemiske stabilitet og oksidasjonsmotstand, og legger grunnlaget for påfølgende prosesser.
Hovedutstyret for kalsinering inkluderer grytebrennere, roterende ovner og elektriske brennere. Kvalitetskontrollindikatorer for kalsinering inkluderer en sann tetthet av petroleumskoks ikke mindre enn 2,07 g/cm³, en resistivitet ikke større enn 550μΩ·m, en sann tetthet av nålkoks ikke mindre enn 2,12g/cm³, og en resistivitet ikke større enn 500μ. ·m.
Knusing og batching av råvarer
Før batching må de store stykkene av kalsinert petroleumskoks og nålkoks gjennomgå mellomliggende knuse-, malings- og siktingsprosesser.Mellomknusing involverer vanligvis ytterligere knusing av materialer på omtrent 50mm i størrelse til den nødvendige granulariteten for batching, fra 0,5-20mm, ved bruk av utstyr som kjeveknusere, hammerknusere eller valseknusere.Maling innebærer bruk av utstyr som pendel-ringmøller (Raymond-møller) eller kulemøller for å male karbonholdige materialer til pulver med partikkelstørrelser under {{0}},15 mm eller 0,075 mm.Sikting er prosessen med å bruke en serie sikter med jevn store åpninger for å separere knuste materialer med et bredt størrelsesområde i flere partikkelstørrelsesgrader. Gjeldende elektrodeproduksjon krever vanligvis 4-5 partikkelstørrelsesgrader av granulære materialer og 1-2 kvaliteter av pulveriserte materialer.Batching involverer prosessen med å beregne, veie og konsentrere ulike partikkelstørrelsesaggregater og pulvere, samt bindemidler, separat i henhold til formelkravene. Vitenskapen til formelen, hensiktsmessigheten og stabiliteten til batchoperasjoner er blant de viktigste faktorene som påvirker produktkvalitetsindikatorer og ytelse.
Formuleringen må bestemme fem aspekter:
- Typer av råvarer;
- Forhold mellom ulike typer råvarer;
- Granularitet sammensetning av faste råvarer;
- Mengde bindemiddel;
- Typer og mengder av tilsetningsstoffer.
Blande: Blanding innebærer jevn blanding og elting av kvantifiserte karbonholdige granulære materialer og pulver med bindemidler ved en viss temperatur for å danne en plastpasta.
Blandingsprosess: Tørrblanding (20-35 min) Våtblanding (40-55 min)
Funksjoner av blanding:Tørrblanding sikrer jevn blanding av ulike råmaterialer og fyller jevnt faste karbonholdige materialer i forskjellige størrelser for å forbedre kompaktheten til blandingen;Tilsetning av kulltjærebek sikrer jevn blanding av tørre materialer og bek, og letter jevn belegging og infiltrering av flytende bek på overflaten av partikler for å danne et bekbindingslag, binder alle materialer sammen, og danner derved en homogen plastpasta som er egnet for forming;Noe kulltjærebek trenger inn i de indre hulrommene i karbonholdige materialer, noe som ytterligere forbedrer tettheten og bindeegenskapene til pastaen.
Å danne:Forming refererer til prosessen der den eltede karbonholdige pastaen gjennomgår plastisk deformasjon under ytre krefter påført av støpeutstyr, og til slutt danner grønne legemer (eller grønne produkter) med visse former, størrelser, tettheter og styrker.
Typer forming, utstyr og produkter produsert:
Ekstruderingsprosess:
1️⃣Kald stamping: skive stamping, sylinder stamping, elting stamping, etc., for å fjerne flyktige stoffer og redusere til passende temperatur (90-120 grad ) for å øke bindingsstyrken, og sikre jevn blokkering for forming (20-30 min).
2️⃣Lading: Løfteplate av pressmaskinmater 2-3 ganger komprimerende ved 4-10MPa.
3️⃣Forpressing: Trykk på 20-25MPa i 3-5min, ledsaget av støvsuging.
4️⃣Ekstrudering: Senking av pressemaskinens plateekstrudering ved 5-15MPa-skjæring-overføring til kjøletank.
Ekstruderingstekniske parametere: Kompresjonsforhold, temperatur på pressekammer og dyse, kjøletemperatur, trykk og tid for forpressing, ekstruderingstrykk, ekstruderingshastighet og vannkjølingstemperatur.
Inspeksjon av grønne kropper: Bulkdensitet, visuell tapping, snittanalyse.
Kalsinering:Kalsinering refererer til høytemperatur varmebehandling av karbonholdige grønne produkter i en spesialdesignet oppvarmingsovn med fyllstoffbeskyttelse, hvor kulltjærebeken i de grønne legene karboniseres.
Kalsinering er en av hovedprosessene i produksjonen av karbonprodukter og er også en viktig del av de tre store varmebehandlingsprosessene i grafittelektrodeproduksjon. Kalsineringsproduksjonssyklusen er lang (en kalsinering i 22-30 dager, og den andre kalsineringen avhengig av ovnstypen i 5-20 dager), og den bruker en betydelig mengde energi. Kvaliteten på kalsinering påvirker både kvaliteten og produksjonskostnadene til sluttproduktet.
Under kalsinering frigjøres omtrent 10 % av det flyktige stoffet fra kulltjærebeken i de grønne legene, noe som forårsaker 2-3% volumkrymping og 8-10% massetap. De fysisk-kjemiske egenskapene til karbonlegemene gjennomgår også betydelige endringer, hvor porøsiteten øker og bulktettheten synker fra 1,70g/cm3 til 1,60g/cm3, mens den elektriske resistiviteten avtar fra ca. 10000μΩ.m til 40-50μΩ. m, og den mekaniske styrken til de kalsinerte legemer forbedres betydelig.
Sekundær kalsinering er prosessen med ytterligere karbonisering av den impregnerte kulltjærebeken i porene til kalsinerte legemer. Grafitt med krav til høy tetthet krever sekundær kalsinering, og leddlegemer må også gjennomgå trippelimpregnering og firedobbel kalsinering eller dobbeltimpregnering og trippelkalsinering.
Hovedtyper av bakeovn: ringovn med kontinuerlig drift (med deksel, uten deksel), intermitterende drift-ned-trekkovn, bakeovn med bilbunn, bakeovn av bokstype
Stekekurve og maksimal temperatur: første steking-320, 360, 422, 480 timer, 1250 grader ; andre steking-125, 240, 280 timer, 700-800 grader . Inspeksjon av bakte produkter: utseende, bankelyd, resistivitet, bulkdensitet, intern strukturanalyse
Impregnering:Impregnering er en prosess der karbonmaterialer plasseres i en trykkbeholder, og under visse temperatur- og trykkforhold impregneres flytende impregneringsmiddelasfalt inn i elektrodeporene til produktet. Hensikten er å redusere porøsiteten til produktet, øke dets bulkdensitet og mekaniske styrke, og forbedre dets elektriske og termiske ledningsevne.
Prosessflyten og relaterte tekniske parametere for impregnering er som følger: bakeblokker-overflaterengjøring-forvarming (260-380 grad, 6-10 timer)-lasting i impregneringstank-evakuering (8-9KPa, 40-50min)-asfaltinjeksjon (180-200 grad )-trykksetting (1.2-1.5MPa, 3-4 timer)-retur av asfaltkjøling (inne eller utenfor tanken ).
Inspeksjon av impregnerte produkter: vektøkningsgrad for impregnering G=(W2-W1)/W1×100 %: vektøkningsrate for første impregnerte produkt Større enn eller lik 14 %, vektøkningsrate på andre impregnert produkt Større enn eller lik 9 %, vektøkningsgrad for tredje impregnert produkt Større enn eller lik 5 %.
Grafitisering:Grafitisering refererer til høytemperatur varmebehandlingsprosessen i et beskyttende medium i en høytemperatur elektrisk ovn, oppvarming av karbonprodukter til over 2300 grader, transformerer den amorfe uordnede strukturen til karbon til en tredimensjonal ordnet grafittkrystallstruktur.
Formål og effekter av grafitisering
- Forbedre den elektriske og termiske ledningsevnen til karbonmaterialer (reduser den elektriske resistiviteten med 4-5 ganger, øk den termiske ledningsevnen med omtrent 10 ganger).
- Forbedre motstanden mot termisk sjokk og kjemisk stabilitet til karbonmaterialer (reduser den lineære ekspansjonskoeffisienten med 50-80%).
- Gi karbonmaterialer med smøreevne og slitestyrke.
- Fjern urenheter og øk renheten til karbonmaterialer (reduser askeinnholdet i produktene fra {{0}}.5-0,8 % til rundt 0,3 %).
Implementering av grafitiseringsprosess
Grafitisering av karbonmaterialer utføres ved temperaturer fra 2300 til 3000 grader. Derfor, i industrielle applikasjoner, kan det bare oppnås gjennom elektrisk oppvarming. I denne prosessen går elektrisk strøm direkte gjennom de oppvarmede bakeblokkene, som fungerer som både ledere som genererer høye temperaturer og gjenstander som varmes opp til høye temperaturer.
For tiden inkluderer mye brukte ovnstyper Acheson-grafitiseringsovner og internt oppvarmede kontinuerlige ovner (LWG). Førstnevnte har høy effekt og temperaturforskjell, men bruker mer strøm, mens sistnevnte har kortere oppvarmingstider, lavere strømforbruk og jevn resistivitet, men er ikke egnet for fuging.
Kontroll av grafitiseringsprosessen oppnås ved å måle temperatur for å bestemme effektkurven som tilsvarer temperaturstigningen. Oppstartstiden for Acheson-ovner er vanligvis 50-80 timer, mens den for LWG-ovner er 9-15 timer.
Grafitisering bruker en betydelig mengde elektrisitet, vanligvis fra 3200 til 4800 kWh. Prosesskostnaden utgjør vanligvis 20-35 % av den totale produksjonskostnaden.
Inspeksjon av grafittiserte produkter innebærer visuell inspeksjon og resistivitetstesting.
Mekanisk bearbeiding: Formålet med mekanisk bearbeiding av karbongrafittmaterialer er å oppnå de nødvendige dimensjonene, formene og nøyaktigheten gjennom maskinering, og dermed produsere grafittprodukter som oppfyller brukskravene.
