Сырье для производства углеродистых изделий

Для производства углеродистых изделий применяют сырье двух видов.

1) Твердые углеродистые материалы.

Они составляют основу электрода и по происхождению делятся на естественные (антрацит) и искусственные (термоантрацит, каменноугольный кокс, нефтяной и пековый коксы).

Антрацит – самый лучший из ископаемых углей – имеет высокую термическую стойкость, его температура начала окисления 550 °С. В зависимости от сорта антрацит содержит 85—95 % углерода, 1,5—2 % влаги, 3—8 % летучих веществ, 3—5 % золы и 1,2—2,5 % серы.

Термоантрацит получают, нагревая антрацит в шахтных печах при 1100—1200 °С, при этом повышается содержание углерода до 96—98 %, снижается содержание летучих до 0,2—0,8 % и влаги до 0,1—0,2 %, возрастает электропроводность, термостойкость и механическая прочность. Эти свойства делают термоантрацит очень ценным сырьем для производства угольных электродов, футеровочных изделий и подовой массы.

Каменноугольный кокс получают из коксующихся каменных углей нагреванием до 900—1200 °С в печах без доступа воздуха. Каменноугольный кокс характеризуется малым содержанием летучих (1—1,5 %) и серы (0,45—1,2 %), высокой электропроводностью, имеет пористую структуру с большим количеством трещин. Зольность кокса 8—15 %,  содержание углерода до 85 %, поэтому применяется для производства футеровочных изделий и угольных электродов.

Нефтяной кокс — продукт коксования нефтяных остатков, получаемых при пиролизных или крекинговых процессах на нефтеперерабатывающих заводах. Нефтяной кокс — черная с серебристым отливом хрупкая масса, содержащая сравнительно много летучих, до 7 %. Температура начала окисления: непрокаленного кокса 470 °С, прокаленного (при 1200 °С) ≈ 605° С. Это наиболее чистый по золе (≈ 0,4 %) углеродистый материал, поэтому его применяют для производства электродов, подлежащих графитированию.

Пековый кокс — продукт коксования каменноугольного пека в специальных печах. Пековый кокс, как и нефтяной, имеет пористое строение, но более плотную структуру, более высокую механическую прочность, меньшее содержание летучих веществ (0,8—1,0 %) и меньшую активность к кислороду. Температура начала окисления 560 °С, а прокаленного (при 1200 °С) ≈ 580 °С. Ввиду малого содержания золы (до 0,5 %) служит лучшим сырьем для производства анодов и анодной массы.

Графит — самый электропроводный и теплопроводный углеродистый материал с большой инертностью к кислороду и расплавленным средам. Графит вводят в шихту всего 5—10 % для увеличения пластичности угольной массы при прессовании, увеличения электропроводности, теплопроводности и термостойкости электродных изделий.

2) Связующие углеродистые материалы

Важнейшие свойства связующего - заполнять промежутки между зернами твердых материалов, спекаться (коксоваться) при обжиге и прочно связывать частицы твердых углеродистых материалов между собой. В качестве связующих материалов применяют продукты сухой перегонки каменного угля — смолу и пек.

Каменноугольная смола — вязкая темно-коричневая жидкость  — смесь различных химических соединений. Ее состав и свойства чрезвычайно разнообразны и зависят от условий получения.

Каменноугольный пек — твердое блестящее черное вещество — продукт отгонки легколетучих фракций из каменноугольных смол. В зависимости от полноты отгонки пеки получают с различной температурой размягчения:

- НТП, низкотемпературный мягкий пек (40—55 °С),

- СТП, среднетемпературный (65—75 °С),

- ВТП, высокотемпературный твердый (100—120 °С).

Общая схема производства углеродистых изделий

Подготовка твёрдых углеродистых материалов

Различные твердые углеродистые материалы поступают на завод в обычных или саморазгружающихся железнодорожных вагонах. Их разгружают и хранят в закрытых складах раздельно, исключая их смешивание. От качества хранения и подготовки углеродистых материалов в значительной степени зависит качество получаемой продукции.

Твердые материалы поступают на завод в кусках, их подготовка сводится к дроблению, прокаливанию и размолу. Куски дробят в щековых дробилках до 75 мм,тем самым обеспечивая должное качество прокаливания. Более крупные куски, пройдя через печь, не успеют прокалиться, а более мелкие увеличивают угар при прокаливании. Прокаливанию подвергают все углеродистые материалы (кроме графита) для их усадки и удаления летучих веществ до 0,2% в печах двух типов: ретортных без доступа воздуха или в ТВП.

Ретортная печь состоит из вертикальных кирпичных камер (реторт), тепло от сжигания газов ≈ 1400 °С передается материалу через стенки реторт. Сырьё в них загружают сверху, время прокаливания 24—32 час. Достоинства ретортной печи:

- использование в качестве горючего летучих веществ, выделяющихся из прокаливаемого материала;

-  получают равномерно прокаленный углеродистый материал;

-  малые потери материала за счет окисления, (угар 1—3 %), так как прокаливают без доступа воздуха.

Недостатки ретортных печей: большие капитальные затраты на их сооружение и сложность эксплуатации.

Вращающиеся трубчатые прокалочные печи длиной до 45 м и диаметром 2—3 мфутерованы огнеупорным материалом. Ось печи наклонена под углом 3 – 7 градусов к горизонту в сторону выхода материала из печи. Над печью установлен загрузочный бункер, из которого материал равномерно подается в печь. При вращении печи 2—3 об/мин, прокаливаемый материал медленно движется со скоростью 1 —1,2 м/минот загрузочного конца печи к разгрузочному, проходя зоны сушки, подогрева и прокаливания. Топливом служит мазут или природный газ, который подается в печь форсункой, установленной в разгрузочной головке печи. В отличие от ретортных печей, здесь горячие газы и пламя непосредственно соприкасаются с углеродистым материалом. Участок печи, где из углеродистого материала выделяются и сгорают летучие, называется зоной прокалки, температура здесь достигает 1200—1300 °С. По выходе из печи, материал выгружается в холодильный барабан, расположенный под печью и охлаждается до 60—75 °С пропускаемым через него воздухом, а также путем теплоотдачи через стенки барабана, который охлаждается снаружи водой.

Вращающаяся трубчатая печь по сравнению с ретортными печами имеет следующие преимущества:

1) на содержание требуется меньше капитальных затрат;

2) проста в эксплуатации;

3) прост переход с одного вида материала на другой;

4) процесс прокаливания непрерывный,

5) возможна механизация и автоматизация процесса прокаливания.

К недостаткам этих печей следует отнести повышенный угар углеродистых материалов (до 14%) и более низкую температуру прокаливания, чем в ретортных печах.

Из углеродистых материалов полностью удаляется влага, резко снижается количество летучих веществ и повышается плотность за счет усадки (сокращения объема), что предотвращает деформацию и появление трещин в готовых электродных изделиях при их обжиге. Поэтому температура прокаливания углеродистых материалов всегда выше температуры обжига готовых изделий. После прокаливания у углеродистых материалов понижается реакционная способность к кислороду воздуха, повышается их электропроводность, теплопроводность и механическая прочность.

Прокаленный материал поступает в размольное отделение. Измельчение необходимо для получения определенной крупности зерна (фракции), чтобы получать изделия с нужной пористостью и механической прочностью. Прокаленный материал измельчают в несколько приемов:

- дробление на валковых или молотковых дробилках до 25—5 мм;

- мелкий помол — от 20—5 мм до 10—0,5 мм

- тонкий помол — 0,1 мм и мельче.

Мелкий и тонкий помол осуществляют в шаровых мельницах. При этом углеродистый материал загрязняется железом вследствие износа дробилок, мельниц и шаров, поэтому железные частицы удаляют электромагнитом. После измельчения углеродистый материал рассеивают (классифицируют) на вибрационных грохотах по фракциям, которые поступают в сортовые бункера.

Подготовка связующего

Пек на завод поступает на склад пека в специальных железнодорожных вагонах-битумовозах с внешней паровой рубашкой. Пек в вагонах может находиться в жидком или твёрдом виде. Если пек в вагоне-бункере оказался застывшим, в паровую рубашку подводят перегретый пар и пек начинает плавиться. Вагон опрокидывают и жидкий пек сливают в обогреваемые паром стальные пекоплавители. Пек в пекоплавителях выдерживается 2-3 суток при 110 – 120 ºC. При этом из пека удаляется влага и усредняется его состав. Вода содержится в пеке в двух видах: в капельно-жидком и в тонкораспыленном. Капельно-жидкая вода легко отделяется при расплавлении пека, распыленная же выделяется только при нагревании его до 110 °С и вызывает сильное вспенивание пека.

Дозировка и смешение шихты

Сыпучие и связующие материалы взвешивают на весах или отмеряют по объему механическим или автоматическим способом. Эту операцию называют дозировкой. Цель дозировки — обеспечить определенный гранулометрический состав, такое соотношение между размерами зерен и связующим, при котором электродное изделие получилось бы с необходимой плотностью и механической прочностью. Этого достигают, смешивая крупные зерна с мелкими. Крупные зерна образуют основу электрода, придавая ему надлежащую прочность, а мелкие частицы и связующее служат заполнителем пустот между крупными.

Подбор гранулометрического состава твердых материалов и количества связующего — весьма ответственная операция. Обычно на заводах сначала изготовляют опытные партии углеродистых изделий, а затем их проверяют на эксплуатационную стойкость в производственных условиях.

В соответствии с гранулометрическим составом (рецептом) количество связующего различается. Избыток связующего особенно вреден в углеродной массе для формованных изделий, так как твердые частицы будут отделены друг от друга утолщенным слоем пека. При обжиге из-за усадки пека могут образовываться пустоты и трещины в изделии. Но повышенное содержание связующего в анодной массе необходимо - для лучшего размягчения, равномерного распределения и схватывания с предыдущей анодной массой в аноде.

Твердые углеродистые материалы загружают в парообогреваемый смеситель и перемешивают 20-30 мин., пока они нагреются до 100—120 °С. Затем в смеситель подают расплавленный пек и перемешивают ещё 50—60 мин. Цель смешения сухой шихты со связующим — обеспечить полное соприкосновение зерен кокса со связующим и получить однородную массу с равномерным распределением в ней компонентов. Связующее должно покрыть тонкой пленкой каждую частицу твердого материала и заполнить пустоты между ними.

На алюминиевых заводах такая «сырая» углеродистая масса является готовой продукцией — анодной, подштыревой или подовой массой. Её формуют в брикеты и после контроля качества отгружают на склад готовой продукции.