Co oznacza obróbka cieplna w fabryce elektrod
Obróbka cieplna przy produkcji elektrod grafitowych nie jest pojedynczą operacją. Jest to sekwencja etapów termicznych stosowanych w różnych punktach procesu, każdy o określonym celu: kalcynacja surowego koksu, wypalanie wytłoczonej surówki, impregnacja smołą, następnie drugie wypalanie i wreszcie grafityzacja. Cała sekwencja przekształca mieszaninę stałego wypełniacza węglowego i paku wiążącego w gęstą, termicznie stabilną kolumnę grafitową o niskiej{{2}oporności, która może bezawaryjnie przewodzić prąd w elektrycznym piecu łukowym. Pomijanie lub skracanie dowolnego kroku objawia się później wysoką rezystancją, pękaniem lub nadmiernym zużyciem końcówki.
Krok pierwszy: Kalcynacja surowego koksu
Koks naftowy dostarczany jest z substancjami lotnymi, które podczas grafityzacji kurczą się i zniekształcają elektrodę. Kalcynacja usuwa tę lotną frakcję poprzez ogrzewanie koksu do temperatury około 1200–1400°C w piecu obrotowym, szybowym lub-obrotowym. Produktem jest gęstszy, bardziej krystaliczny kalcynowany koks o niskiej zawartości resztkowych substancji lotnych i stabilnych wymiarach. Jest to pierwszy punkt, w którym jakość obróbki cieplnej bezpośrednio określa oporność, którą można osiągnąć później, ponieważ struktura koksu i poziom zanieczyszczeń wyznaczają pułap końcowej wydajności elektrody.
Krok drugi i trzeci: Pieczenie i impregnacja
Po zmieszaniu z pakiem wiążącym i wytłoczeniu surową bryłę wypala się zazwyczaj w temperaturze 800–1200°C. Funkcje są jasne: spoiwo pakowe rozkłada się i karbonizuje, substancje lotne są usuwane, porowatość wewnętrzna spada, a materiał zyskuje wytrzymałość mechaniczną. Gęsta struktura węgla utworzona na tym etapie sprawia, że późniejsza grafityzacja jest skuteczna. Ponieważ zawsze pozostaje pewna porowatość, gatunki premium są następnie impregnowane pakem pod ciśnieniem i- ponownie wypalane, co wypełnia otwarte pory, zwiększa gęstość nasypową oraz poprawia zarówno wytrzymałość, jak i przewodność. Impregnacja i ponowne-wypalanie to główne powody, dla których gatunki o ultra-wysokiej-mocy osiągają wyższą gęstość i niższą rezystywność niż gatunki standardowe z tego samego koksu.
Krok czwarty: Grafityzacja Około 2500 do 3000 C
Grafityzacja jest decydującym krokiem w zakresie wydajności elektrycznej. Wypieczony korpus jest podgrzewany do temperatury około 2500–3000°C w piecu typu Acheson, napędzanym ogrzewaniem oporowym samego wsadu. W tej temperaturze nieuporządkowany amorficzny węgiel przekształca się w warstwową strukturę kryształu grafitu. Trzy zmierzone właściwości od razu zmierzają we właściwym kierunku: właściwy opór elektryczny gwałtownie spada, wzrasta przewodność cieplna i spada współczynnik rozszerzalności cieplnej. Mniejsza rozszerzalność cieplna ma znaczenie, ponieważ zmniejsza naprężenia termiczne powstające podczas pierwszych cykli nagrzewania w piecu, a naprężenia te są częstą przyczyną pękania wzdłużnego nowych elektrod.
| Krok procesu | Typowa temperatura | Główny wpływ na elektrodę |
|---|---|---|
| Kalcynacja surowego koksu | około 1200 do 1400 C | usuwa substancje lotne, stabilizuje strukturę koksu |
| Pieczenie zielonego ciała | około 800 do 1200 C | zwęgla spoiwo, podnosi gęstość i wytrzymałość |
| Impregnacja i ponowne-wypiekanie | jak przy pieczeniu | wypełnia pory, zwiększa gęstość i przewodność |
| Grafityzacja | około 2500 do 3000 C | tworzy siatkę grafitową, zmniejsza opór i rozszerzalność |
Jak weryfikowany jest efekt
Ponieważ za obróbkę cieplną ostatecznie płaci klient, jej wyniki są mierzone, a nie zakładane. Oporność określa się według ASTM C611, wytrzymałość na zginanie według ASTM C651, pozorną gęstość nasypową i porowatość według ASTM C1039, a popiół według ASTM C561. Rozszerzalność cieplna w zakresie od 100 do 600 C jest mierzona metodą dylatometryczną zgodnie z ASTM E228. W przypadku gotowych elektrod obowiązują wymagania dotyczące wymiarów i połączeń określone w normach GB/T 3072 i GB/T 3073, ze szczególnym uwzględnieniem dopasowania stożkowego złączki, ponieważ złącze, które nie jest prawidłowo osadzone, tworzy lokalny gorący punkt, który przedwcześnie kończy żywotność elektrody.
Punkty kontroli procesu, które decydują o ostatecznej jakości
W wynikach dominują cztery punkty kontrolne. Po pierwsze, profil temperatury kalcynacji: niedostatecznie-kalcynowany koks uwalnia substancje lotne podczas grafityzacji i powoduje pękanie. Po drugie, zawartość paku i temperatura mieszania, które określają, ile zamkniętych porów przetrwa pieczenie. Po trzecie, szybkość chłodzenia po grafityzacji; w ciele chłodzonym zbyt szybko powstają naprężenia wewnętrzne, które pojawiają się później w postaci pęknięcia. Po czwarte, kontrola atmosfery w piecu, ponieważ utlenianie podczas-obróbki wysokotemperaturowej powoduje zużycie materiału i zmniejszenie wydajności. Każda z nich jest zmienną mierzalną, a zakłady, które je rejestrują, korelują je z końcową rezystancją i reklamacjami klientów.
Często zadawane pytania
Q:Dlaczego grafityzację przeprowadza się w tak wysokiej temperaturze?
O: Ponieważ przemiana nieuporządkowanego węgla w siatkę grafitową przebiega wystarczająco szybko dopiero powyżej około 2500 C. Ta zmiana strukturalna zmniejsza oporność do poziomu wymaganego do pracy przy dużej gęstości prądu.
Q:Jaka jest różnica między pieczeniem a grafityzacją?
Odp.: Wypiekanie powoduje zwęglenie spoiwa pakowego w temperaturze około 800 do 1200 C i zwiększa wytrzymałość mechaniczną. Grafityzacja w temperaturze około 2500 do 3000°C reorganizuje węgiel w kryształy grafitu i głównie poprawia właściwości elektryczne i termiczne.
Q:Czy impregnacja zmienia skład elektrody?
Odp.: Dodaje węgiel ze paku impregnacyjnego do sieci porów. Celem jest większa gęstość i mniejsza porowatość bez wprowadzania popiołu, dlatego stosuje się paki impregnacyjne o niskiej zawartości popiołu.
Q:Jaki związek ma obróbka cieplna z pękaniem podczas pracy?
Odp.: Dobrze grafitowana elektroda ma niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, a zatem mniejsze naprężenia termiczne podczas ogrzewania. Zła lub nierówna obróbka powoduje duże naprężenia wewnętrzne, które objawiają się pęknięciami podłużnymi lub złamaniami połączeń.
Q:Czy można skrócić etapy leczenia, aby obniżyć koszty?
Odp.: Czas przebywania można zoptymalizować, ale jeśli ładunek nie osiągnie temperatury docelowej w całym przekroju, rezystywność i gęstość będą wykraczać poza specyfikację. Oszczędność czasu pracy pieca jest zwykle mniejsza niż koszt powstałych odrzutów.
Q:Które wartości certyfikatu najlepiej wskazują na prawidłową obróbkę cieplną?
Odp.: Rezystywność, gęstość nasypowa i współczynnik rozszerzalności cieplnej razem. Gęste, ale słabo grafityzowane ciało może zapewnić samą rezystancję, dlatego nigdy nie należy jej oceniać w izolacji.