Материјали за графит и сврха и ефекти графитизације

Сировине за производњу графита су нафтни кокс, игличасти кокс и смола за угаљ

Нафтни кокс је запаљиви чврсти производ добијен од нафтних остатака и нафтног асфалта коксом. Црн је, порозан, првенствено се састоји од угљеника и има веома низак садржај пепела, углавном испод 0,5%. Нафтни кокс спада у категорију угљеника који се лако графитирају и налази широку примену у индустријама као што су хемијско инжењерство и металургија. Служи као главна сировина за производњу производа од вештачког графита и угљеничних производа који се користе у електролизи алуминијума. Нафтни кокс се може категорисати на сирови кокс и калцинисани кокс на основу температуре термичке обраде. Први, добијен одложеним коксом, садржи велику количину испарљивих материја и има малу механичку чврстоћу, док се други добија калцинацијом сировог кокса. Већина рафинерија у Кини производи само сирови кокс, а калцинација се првенствено спроводи у угљеничним постројењима.

Нафтни кокс се може класификовати на кокс са високим садржајем сумпора (са садржајем сумпора изнад 1,5%), средње сумпорним коксом (са садржајем сумпора у распону од 0,5% до 1,5%) и коксом са ниским садржајем сумпора (са сумпором садржај испод 0.5%), на основу садржаја сумпора. Кокс са ниским садржајем сумпора се углавном користи у производњи производа од вештачког графита.

Игличасти кокс је висококвалитетни кокс који карактерише изразита влакнаста текстура, изузетно низак коефицијент термичког ширења и лака графитизација. Када се преломи, дели се на витке грануле дуж својих влакана (са односом дужине и ширине углавном изнад 1,75). Под микроскопијом поларизованог светла, може се уочити њена анизотропна влакнаста структура, па отуда и назив „игличасти кокс“.

Анизотропија физичких и механичких својстава игличастог кокса је прилично изражена. Показује одличну проводљивост и топлотну проводљивост дуж дуге осе честица. Са ниским коефицијентом топлотног ширења, током екструзионог обликовања, већина честица се поравна дуж правца екструзије. Стога је игличасти кокс кључна сировина за производњу графита, што резултира графитом са ниском електричном отпорношћу, ниским коефицијентом топлотног ширења и добром отпорношћу на топлотни удар.

Игличасти кокс се дели на игличасти кокс на бази уља који се производи од остатака нафте и игличасти кокс на бази угља произведен од рафинисаног катрана угља.

Смола од катрана је један од главних производа дубинске прераде катрана. То је мешавина различитих угљоводоника, обично црне, получврсте или чврсте супстанце високог вискозитета на собној температури, без фиксне тачке топљења. Омекшава при загревању, а затим се топи, са густином у распону од 1,25 до 1,35 г/цм³. На основу тачке омекшавања може се класификовати на нискотемпературне, средње-температурне и високе температуре. Средњотемпературна смола чини 54-56% приноса катрана угља. Састав смоле угљеног катрана је изузетно сложен, у зависности од својстава катрана и садржаја хетероатома. На то такође утичу процес коксовања и услови прераде катрана угља. Постоји много индикатора који карактеришу својства смоле од угљеног катрана, као што су тачка омекшавања, нерастворљиви у толуену (ТИ), нерастворљиви у кинолину (КИ), вредност коксовања и реолошка својства.

Смола катрана угља се користи као везиво и средство за импрегнацију у индустрији угљеника, а његове перформансе у великој мери утичу на производни процес и квалитет производа угљеничних производа. За везива се углавном користе средњетемпературне или модификоване смоле средње температуре са умереним тачкама омекшавања, високим вредностима коксовања и високим садржајем смоле. За средства за импрегнацију преферирају се средњетемпературне смоле са нижим тачкама омекшавања, ниским КИ и добрим реолошким својствима.

Калцинација је термичка обрада угљених материјала на високим температурама ради уклањања влаге и испарљивих материја и побољшања физичких и хемијских својстава сировина. Угљенични материјали се генерално калцинишу коришћењем гаса или сопствених испарљивих материја као извора топлоте, са температурама које достижу 1250-1350 степен.

Калцинација доводи до дубоких промена у структури и физичко-хемијским особинама угљеничних материјала. Он првенствено повећава густину, механичку чврстоћу и проводљивост кокса, побољшава његову хемијску стабилност и отпорност на оксидацију и поставља основу за наредне процесе.

Главна опрема за калцинацију укључује калцинаторе за лонце, ротационе пећи и електричне калцинаторе. Индикатори контроле квалитета за калцинацију укључују праву густину петрол кокса не мању од 2,07 г/цм³, отпорност не већу од 550 μΩ·м, праву густину игланог кокса не мању од 2,12 г/цм³ и отпорност не већу од 500 μΩ ·м.

Дробљење и дозирање сировина

Пре шаржирања, велики комади калцинисаног петролеј кокса и игличастог кокса треба да се подвргну средњем процесу дробљења, млевења и просејавања.Средње дробљење обично укључује даље дробљење материјала величине око 50мм до потребне грануларности за серирање, у распону од 0.5-20мм, користећи опрему као што су чељустне дробилице, чекић дробилице или ваљкасте дробилице.Мљевење укључује употребу опреме као што су млинови са клатном (Раимонд млинови) или куглични млинови за мљевење угљених материјала у прах са величином честица испод {{0}}.15 мм или 0,075 мм.Просејавање је процес коришћења серије сита са отворима уједначене величине за раздвајање дробљеног материјала широког опсега величине у неколико разреда величине честица. Тренутна производња електрода обично захтева 4-5 степена величине честица зрнатих материјала и 1-2 степена прашкастих материјала.Дозирање обухвата процес израчунавања, вагања и концентрисања различитих агрегата и праха величине честица, као и везива, посебно према захтевима формуле. Научност формуле, прикладност и стабилност дозирања су међу најважнијим факторима који утичу на показатеље квалитета производа и перформансе.

Формулација треба да одреди пет аспеката:

1. Врсте сировина;
2. Односи различитих врста сировина;
3. Зрнасти састав чврстих сировина;
4. Количина везива;
5. Врсте и количине адитива.

Мешање: Мешање укључује равномерно мешање и гнетење квантификованих карбонских зрнастих материјала и праха са везивом на одређеној температури да би се формирала пластична паста.

Процес мешања: Суво мешање (20-35 мин) Мокро мешање (40-55 мин)

Функције мешања:Суво мешање обезбеђује уједначено мешање различитих сировина и равномерно попуњава чврсте угљеничне материјале различитих величина како би се побољшала компактност смеше;Додавање смоле од катрана угља обезбеђује равномерно мешање сувих материјала и смоле, олакшава равномерно наношење и инфилтрацију течне смоле на површину честица како би се формирао слој за везивање смоле, спајајући све материјале заједно, формирајући тако хомогену пластичну пасту погодну за обликовање;Нека смола од угљеног катрана продире у унутрашње празнине угљеничних материјала, додатно повећавајући густину и својства везивања пасте.

Формирање:Формирање се односи на процес у коме се гњечена карбонска паста подвргава пластичној деформацији под спољним силама које примењује опрема за обликовање, на крају формирајући зелена тела (или зелене производе) одређених облика, величина, густина и чврстоће.

Врсте обликовања, опреме и произведених производа:

Процес екструзије:

1⃣Хладно набијање: набијање дискова, набијање цилиндара, набијање за гнетење итд., за избацивање испарљивих материја и снижавање на одговарајућу температуру (90-120 степен) да би се повећала чврстоћа везивања, обезбеђујући уједначену блокаду за обликовање (20-30 мин).

2⃣Пуњење: подизна плоча преса са машинским храњењем 2-3 пута сабијања на 4-10 МПа.

3⃣Претходно пресовање: Притисак од 20-25МПа у трајању од 3-5мин, праћен усисивањем.

4⃣Екструзија: плоча машине за спуштање машине за пресовање – екструдирање на 5-15МПа-смицање-преношење у резервоар за хлађење.

Технички параметри екструзије: Однос компресије, температура преса коморе и млазнице, температура хлађења, притисак и време предпресовања, притисак екструзије, брзина екструзије и температура воденог хлађења.

Инспекција зелених тела: насипна густина, визуелно тапкање, анализа пресека.

Калцинација:Калцинација се односи на високотемпературну топлотну обраду угљеничних зелених производа у посебно дизајнираној пећи за грејање са заштитом пунила, где се смола угљеног катрана у зеленим тијелима карбонизира.

Калцинација је један од главних процеса у производњи угљеничних производа и такође је важан део три главна процеса топлотне обраде у производњи графитних електрода. Производни циклус калцинације је дуг (једна калцинација за 22-30 дана, а друга калцинација у зависности од типа пећи за 5-20 дана), и троши знатну количину енергије. Квалитет калцинације утиче и на квалитет и на цену производње финалног производа.

Током калцинације, око 10% испарљивих материја се ослобађа из смоле угљеног катрана у зеленим телима, што изазива 2-3% запреминског скупљања и 8-10% губитка масе. Физичко-хемијске особине угљеничних тела такође пролазе кроз значајне промене, при чему се порозност повећава и запреминска густина смањује са 1,70г/цм3 на 1,60г/цм3, док се електрична отпорност смањује са око 10000μΩ.м на 40-50μΩ. м, а механичка чврстоћа калцинисаних тела знатно се побољшава.

Секундарна калцинација је процес даље карбонизације импрегнираног катрана угља у порама калцинисаних тела. Графит са захтевима високе густине захтева секундарну калцинацију, а тела зглобова такође треба да прођу троструку импрегнацију и четвороструку калцинацију или двоструку импрегнацију и троструку калцинацију.

Главни типови пећи за печење: прстенаста пећ са континуираним радом (са поклопцем, без поклопца), пећ са повременим радом са ниском вуцом, пећ за печење на дну аутомобила, пећ за печење кутијасте пећи

Крива печења и максимална температура: прво печење-320, 360, 422, 480 сати, 1250 степени; друго печење-125, 240, 280 сати, 700-800 степен . Инспекција печених производа: изглед, звук тапкања, отпорност, запреминска густина, анализа унутрашње структуре

Импрегнација:Импрегнација је процес у коме се угљенични материјали стављају у посуду под притиском, а под одређеним условима температуре и притиска, асфалт течним средством за импрегнацију импрегнира се у електродне поре производа. Сврха је смањење порозности производа, повећање његове запреминске масе и механичке чврстоће и побољшање његове електричне и топлотне проводљивости.

Ток процеса и повезани технички параметри импрегнације су следећи: печење гредица-чишћење површине-предгријавање (260-380 степен, 6-10 сати)-утовар у резервоар за импрегнацију-евакуација (8-9КПа, 40-50мин)-убризгавање асфалта (180-200 степен )-добијање притиска (1.2-1.5МПа, 3-4 сати)-повратак асфалта-хлађење (унутар или изван резервоара ).

Инспекција импрегнираних производа: стопа повећања масе импрегнације Г=(В2-В1)/В1×100%: стопа повећања масе првог импрегнираног производа већа или једнака 14%, стопа повећања тежине другог импрегнирани производ Већи или једнак 9%, стопа повећања тежине трећег импрегнираног производа Већа или једнака 5%.

графитизација:Графитизација се односи на процес термичке обраде на високој температури у заштитном медијуму у високотемпературној електричној пећи, загревањем угљеничних производа до изнад 2300 степени, трансформишући аморфну ​​неуређену структуру угљеника у тродимензионалну уређену кристалну структуру графита.

Сврха и ефекти графитизације

1. Побољшајте електричну и топлотну проводљивост угљеничних материјала (смањење електричне отпорности за 4-5 пута, повећање топлотне проводљивости за приближно 10 пута).
2. Побољшајте отпорност на топлотни удар и хемијску стабилност угљеничних материјала (смањење коефицијента линеарне експанзије за 50-80%).
3. Обезбедите угљеничним материјалима мазивост и отпорност на хабање.
4. Уклоните нечистоће и повећајте чистоћу угљеничних материјала (смањење садржаја пепела у производима са {{0}}.5-0.8% на око 0,3%).

Имплементација процеса графитизације

Графитизација угљеничних материјала се врши на температурама у распону од 2300 до 3000 степени. Стога, у индустријским применама, то се може постићи само електричним грејањем. У овом процесу, електрична струја директно пролази кроз загрејане гредице за печење, које делују и као проводници који генеришу високе температуре и као предмети који се загревају на високе температуре.

Тренутно, широко коришћени типови пећи укључују пећи за графитизацију Ацхесон и континуалне пећи са унутрашњим загревањем (ЛВГ). Први има велику снагу и температурну разлику, али троши више електричне енергије, док други има краће време грејања, мању потрошњу електричне енергије и уједначену отпорност, али није погодан за спајање.

Контрола процеса графитизације се постиже мерењем температуре ради одређивања криве снаге која одговара порасту температуре. Време укључивања за пећи Ацхесон је обично 50-80 сати, док је за ЛВГ пећи 9-15 сати.

Графитизација троши значајну количину електричне енергије, углавном у распону од 3200 до 4800 кВх. Трошкови процеса обично чине 20-35% укупних трошкова производње.

Инспекција графитизованих производа укључује визуелни преглед и испитивање отпорности.

Механичка обрада: Сврха механичке обраде материјала од угљеничног графита је постизање потребних димензија, облика и тачности кроз машинску обраду, чиме се добијају производи од графита који испуњавају услове употребе.