石墨電極的出產(chǎn)工藝流程

2021-01-05 點(diǎn)擊量：2021

 

石墨電極的出產(chǎn)工藝流程
石墨電極的質(zhì)料及制造工藝

石墨電極是選用石油焦、針狀焦為骨料，煤瀝青為粘結(jié)劑，經(jīng)過混捏、成型、焙燒、浸漬、石墨化、機(jī)械加工等一 系列工藝進(jìn)程出產(chǎn)出來的一種耐高溫石墨質(zhì)導(dǎo)電資料。

石墨電極是電爐煉鋼的重要高溫導(dǎo)電資料，經(jīng)過石墨電極向電爐輸入電能，利用電極端部和爐料之間引發(fā)電弧發(fā)生的高溫作為熱源，使?fàn)t料熔化進(jìn)行煉鋼。其他一些鍛煉黃磷、工業(yè)硅、磨料等資料的礦熱爐也用石墨電極作為導(dǎo)電資料。利用石墨電極優(yōu)秀而特殊的物理化學(xué)功能，在其他工業(yè)部門也有廣泛的用處。  

出產(chǎn)石墨電極的質(zhì)料有石油焦、針狀焦和煤瀝青

石油焦是石油渣油、石油瀝青經(jīng)焦化后得到的可燃固體產(chǎn)品。色黑多孔，首要元素為碳，灰分含量很低，一般在0.5%以下。石油焦屬于易石墨化炭一類，石油焦在化工、冶金等職業(yè)中有廣泛的用處，是出產(chǎn)人工石墨制品及電解鋁用炭素制品的首要質(zhì)料。

石油焦按熱處理溫度區(qū)分可分為生焦和煅燒焦兩種，前者由推遲焦化所得的石油焦，含有大量的蒸發(fā)分，機(jī)械強(qiáng)度低，煅燒焦是生焦經(jīng)煅燒而得。我國多數(shù)煉油廠只出發(fā)生焦，煅燒作業(yè)多在炭素廠內(nèi)進(jìn)行。

石油焦按硫分的凹凸區(qū)分，可分為高硫焦（含硫1.5%以上）、中硫焦(含硫0.5%-1.5%)、和低硫焦(含硫0.5%以下)三種，石墨電極及其它人工石墨制品出產(chǎn)一般運(yùn)用低硫焦出產(chǎn)。

針狀焦是外觀具有明顯纖維狀紋路、熱膨脹系數(shù)特別低和很簡單石墨化的一種優(yōu)質(zhì)焦炭，焦塊決裂時能按紋路分裂成細(xì)長條狀顆粒（長寬比一般在1.75以上），在偏光顯微鏡下可觀察到各向異性 的纖維狀結(jié)構(gòu)，因而稱之為針狀焦。

針狀焦物理機(jī)械性質(zhì)的各向異性十分明顯, 平行于顆粒長軸方向具有杰出的導(dǎo)電導(dǎo)熱功能，熱膨脹系數(shù)較低，在揉捏成型時，大部分顆粒的長軸按擠出方向排列。因而，針狀焦是制造高功率或超高功率石墨電極的關(guān)鍵質(zhì)料，制成的石墨電極電阻率較低，熱膨脹系數(shù)小，抗熱震功能好。

針狀焦分為以石油渣油為質(zhì)料出產(chǎn)的油系針狀焦和以精制煤瀝青質(zhì)料出產(chǎn)的煤系針狀焦。

煤瀝青是煤焦油深加工的首要產(chǎn)品之一。為多種碳?xì)浠衔锏幕旌衔铮叵聻楹谏哒扯劝牍腆w或固體，無固定的熔點(diǎn)，受熱后軟化，繼而熔化，密度為1.25－1.35g/cm3。按其軟化點(diǎn)凹凸分為低溫、中溫和高溫瀝青三種。中溫瀝青產(chǎn)率為煤焦油的54－56％。煤瀝青的組成極為雜亂，與煤焦油的性質(zhì)及雜原子的含量有關(guān)，又受煉焦工藝制度和煤焦油加工條件的影響。表征煤瀝青特性的指標(biāo)很多，如瀝青軟化點(diǎn)、甲苯不溶物（TI）、喹啉不溶物（QI）、結(jié)焦值和煤瀝青流變性等。

煤瀝青在炭素工業(yè)中作為粘結(jié)劑和浸漬劑運(yùn)用，其功能對炭素制品出產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量影響極大。粘結(jié)劑瀝青一般運(yùn)用軟化點(diǎn)適中、結(jié)焦值高、β樹脂高的中溫或中溫改質(zhì)瀝青，浸漬劑要運(yùn)用軟化點(diǎn)較低、 QI低、流變功能好的中溫瀝青。

下圖為炭素企業(yè)石墨電極出產(chǎn)工藝流程圖

煅燒：炭質(zhì)質(zhì)料在高溫下進(jìn)行熱處理，排出所含的水分和蒸發(fā)份，并相應(yīng)進(jìn)步質(zhì)料理化功能的出產(chǎn)工序稱為煅燒。一般炭質(zhì)質(zhì)料選用燃?xì)饧白陨碚舭l(fā)份作為熱源進(jìn)行煅燒，最高溫度為1250- 1350℃。

煅燒使炭質(zhì)質(zhì)料的組織結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)功能發(fā)生深入變化，首要體現(xiàn)在進(jìn)步了焦炭的密度、機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性，進(jìn)步了焦炭的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化功能，為后序工序奠定了根底。

煅燒的設(shè)備首要有罐式煅燒爐、回轉(zhuǎn)窯和電煅燒爐。煅燒質(zhì)量控制指標(biāo)是石油焦真密度不小于2.07g/cm3，電阻率不大于550μΩ.m,針狀焦真密度不小于2.12g/cm3，電阻率不大于500μΩ.m。

質(zhì)料的破碎處理和配料

在配料之前，須對大塊煅后石油焦和針狀焦進(jìn)行中碎、磨粉、篩分處理。

中碎通常是將50mm左右的物料經(jīng)過顎式破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)、對輥破碎機(jī)等破碎設(shè)備進(jìn)一步破碎到配料所需的0.5-20mm的粒度料。

磨粉是經(jīng)過懸棍式環(huán)輥磨粉機(jī)（雷蒙磨）、球磨機(jī)等設(shè)備將炭質(zhì)質(zhì)料磨細(xì)到0.15mm或0.075mm粒徑以下的粉末狀小顆粒的進(jìn)程。

篩分是經(jīng)過具有均勻開孔的一系列篩子，將破碎后尺度規(guī)模較寬的物料分紅尺度規(guī)模較窄的幾種顆粒粒級的進(jìn)程，現(xiàn)行電極出產(chǎn)通常需求4-5個顆粒料粒級和1-2個粉料粒級。

配料是按配方要求，對各種粒度的骨料和粉料、粘 結(jié)劑分別核算、稱量和聚集的出產(chǎn)進(jìn)程。配方的科學(xué)性適宜性和配料操作的穩(wěn)定性是影響產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)和運(yùn)用功能的最重要因素之一。

配方需確認(rèn)5方面內(nèi)容：

①挑選質(zhì)料的品種；

②確認(rèn)不同品種質(zhì)料的比例；

③確認(rèn)固體質(zhì)料粒度組成；

④確認(rèn)粘結(jié)劑的用量；

⑤確認(rèn)添加劑的品種和用量。

混捏：在一定溫度下將定量的各種粒度炭質(zhì)顆粒料和粉料與定量的粘結(jié)劑攪拌混合均勻，捏合成可塑性糊料的工藝進(jìn)程稱為混捏。

混捏的進(jìn)程：干混（20-35  min）濕混（40-55 min）

混捏的效果：

①干混時使各種質(zhì)料混合均勻，一起使不同粒度大小的固體炭質(zhì)物料均勻地混合和填充，進(jìn)步混合料的密實度；

②加入煤瀝青后使干料和瀝青混合均勻，液態(tài)瀝青均勻涂布和浸潤顆粒外表，構(gòu)成一層瀝青粘結(jié)層，把所有物料相互粘結(jié)在一起，從而構(gòu)成均質(zhì)的可塑性糊料，有利于成型；

③部分煤瀝青浸透到炭質(zhì)物料內(nèi)部空隙，進(jìn)一步進(jìn)步了糊料的密度和粘結(jié)性。

成型：炭資料的成型是指混捏好的炭質(zhì)糊料在成型設(shè)備施加的外部效果力下發(fā)生塑性變形，終究構(gòu)成具有一定形狀、尺度、密度和強(qiáng)度的生坯（或稱生制品）的工藝進(jìn)程。

成型的品種、設(shè)備及所出產(chǎn)產(chǎn)品：

成型方法

  常用設(shè)備

    首要產(chǎn)品

  模壓

立式液壓機(jī)

電碳、低檔次細(xì)結(jié)構(gòu)石墨

  揉捏

臥式液壓揉捏機(jī)

螺桿揉捏機(jī)

石墨電極、方電極

振動成型

振動成型機(jī)

鋁用碳磚、高爐碳磚

 等靜壓

等靜壓成型機(jī)

各向同性石墨、異性石墨

揉捏的操作

①涼料：圓盤涼料、圓筒涼料、混捏式?jīng)隽系确椒?

排出蒸發(fā)份、降低至適宜溫度（90-120℃）增加粘結(jié)力，使糊料塊度均勻利于成型20-30 min

②裝料：壓機(jī)升擋板----分2-3次下料----4-10MPa壓實

③預(yù)壓：壓力20-25MPa，時刻3-5min，一起抽真空

④揉捏：壓機(jī)降擋板----5-15MPa揉捏----剪切----翻入冷卻水槽

揉捏的技術(shù)參數(shù)：壓縮比、壓機(jī)料室及嘴型溫度、涼料溫度、預(yù)壓壓力時刻、揉捏壓力、揉捏速度、冷卻水溫度

生坯的查看：體積密度、外觀敲擊、分析

焙燒：是炭制品生坯在填充料維護(hù)下、裝入專門設(shè)計的加熱爐內(nèi)進(jìn)行高溫?zé)崽幚? 使生坯中的煤瀝青炭化的工藝進(jìn)程。煤瀝青炭化后構(gòu)成的瀝青焦將炭質(zhì)骨料和粉料顆粒固結(jié)在一起, 焙燒后的炭制品具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、較低的電阻率、較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。

焙燒是炭素制品出產(chǎn)的首要工序之一, 也是石墨電極出產(chǎn)三大熱處理進(jìn)程中的重要一環(huán), 焙燒出產(chǎn)周期較長（一焙22-30天，二焙依爐型5-20天）, 而且能耗較高。生坯焙燒的質(zhì)量對成品質(zhì)量和出產(chǎn)成本都有一定影響。

生坯內(nèi)煤瀝青在焙燒進(jìn)程中焦化，排出10%左右的蒸發(fā)份，一起體積發(fā)生2-3%的收縮，質(zhì)量丟失8-10%。炭坯的理化功能也發(fā)生了顯著變化，因為氣孔率增加體積密度由1.70g/cm3降為1.60g/cm3，電阻率10000μΩ.m左右降至40-50μΩ.m，焙燒坯的機(jī)械強(qiáng)度也大為進(jìn)步。

二次焙燒是焙燒品浸漬后進(jìn)行再次焙燒，使浸入焙燒品孔隙中的瀝青炭化的工藝進(jìn)程。出產(chǎn)體積密度要求較高的電極（除RP以外的所有品種）和接頭坯料需進(jìn)行二焙，接頭坯料還需進(jìn)行三浸四焙或二浸三焙。

焙燒爐首要爐型：

連續(xù)作業(yè)----環(huán)式爐（帶蓋、不帶蓋）、隧道窯

間歇作業(yè)----倒焰窯、車底式焙燒爐、箱式焙燒爐

焙燒曲線及最高溫度：

一次焙燒----320、360、422、480小時，1250 ℃

二次焙燒----125、240 、280 小時，700-800 ℃

焙燒品的查看：外觀敲擊、電阻率、體積密度、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

浸漬是將炭資料置于壓力容器中，在一定的溫度和壓力條件下將液態(tài)浸漬劑瀝青浸入滲透到制品電極孔隙中的工藝進(jìn)程。意圖是降低制品氣孔率，增加制品體積密度和機(jī)械強(qiáng)度，改善制品的導(dǎo)電和導(dǎo)熱功能。

浸漬的工藝流程及相關(guān)技術(shù)參數(shù)是：焙燒坯——外表清理——預(yù)熱（260-380 ℃，6-10小時）——裝入浸漬罐——抽真空（8-9KPa，40-50min）——注瀝青（180-200 ℃）——加壓（1.2-1.5MPa,3-4小時）——返瀝青——冷卻（罐內(nèi)或罐外）

浸漬品的查看：浸漬增重率G=(W2-W1)/W1×100%

一次浸漬品增重率≥14%

二次浸漬品增重率≥9%

三次浸漬品增重率≥5%

石墨化是指在高溫電爐內(nèi)維護(hù)介質(zhì)中把炭制品加熱到2300 ℃以上,使無定形亂層結(jié)構(gòu)炭轉(zhuǎn)化成三維有序石墨晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的高溫?zé)崽幚磉M(jìn)程。

石墨化的意圖和效果：

①進(jìn)步炭資料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性（電阻率降低4-5倍，導(dǎo)熱性進(jìn)步約10倍）；

②進(jìn)步炭資料的抗熱振功能和化學(xué)穩(wěn)定性（線膨脹系數(shù)降低50-80%）；

③使炭資料具有潤滑性和抗磨性；

④排出雜質(zhì)，進(jìn)步炭資料的純度（制品的灰分由0.5-0.8%降到0.3%左右）。

石墨化進(jìn)程的完成：

炭資料的石墨化是在2300-3000 ℃高溫下進(jìn)行的，故工業(yè)上只有經(jīng)過電加熱方法才能完成，即電流直接經(jīng)過被加熱的焙燒品，這時裝入爐內(nèi)的焙燒品既是經(jīng)過電流發(fā)生高溫的導(dǎo)體，又是被加熱到高溫的目標(biāo)。

目前廣泛選用的爐型有艾奇遜（Acheson）石墨化爐和內(nèi)熱串接(LWG)爐。前者產(chǎn)量大、溫差大、電耗較高，后者加熱時刻短、電耗低、電阻率均勻但欠好裝接頭。

石墨化工藝進(jìn)程的控制是經(jīng)過測溫確認(rèn)與升溫情況相適應(yīng)的電功率曲線進(jìn)行控制，通電時刻艾奇遜爐50-80小時，LWG爐9-15小時。

石墨化的電耗很大，一般為3200-4800KWh，工序成本約占整個出產(chǎn)成本的20-35%

石墨化品的查看：外觀敲擊、電阻率測驗

機(jī)械加工：炭石墨資料機(jī)械加工的意圖是依托切削加工來到達(dá)所需求的尺度、形狀、精度等，制成符合運(yùn)用要求電極本體和接頭。

石墨電極加工分為電極本體和接頭兩個獨(dú)立加工進(jìn)程。

本體加工包含鏜孔與粗平端面、車外圓與精平端面和銑螺紋3道工序，圓錐形接頭的加工可分為6道工序：切斷、平端面、車錐面、銑螺紋、鉆孔安栓和開槽。

電極接頭銜接方法：圓錐形接頭銜接（一吋三扣和一吋四扣）、圓柱形接頭銜接、凹凸銜接（公母扣銜接）

加工精度的控制：螺紋錐度偏差、螺紋螺距、接頭（孔）大徑偏差、接頭孔同軸度、接頭孔垂直度、電極端面平整度、接頭四點(diǎn)偏差等。用專用環(huán)規(guī)和板規(guī)等查看。

成品電極的查看：精度、分量、長度、直徑、體積密度、電阻率、預(yù)裝合作精度等。