A grafitização é um dos processos primários de tratamento térmico na produção de produtos de grafita de carbono. O forno de grafitização de Acheson é o tipo de forno predominante atualmente usado para grafitização de produtos de graphita de carbono. É um forno de resistência especial que opera intermitentemente, usando os produtos e o material do resistor dentro do forno como uma "fonte de calor interna" para aquecimento direto. O espaço dentro do forno de grafitização onde os produtos e o material do resistor são colocados é chamado de núcleo do forno, com uma área de seção transversal normalmente variando de 3 a 6 metros quadrados.
Uma corrente forte é passada pelo forno e a resistência do núcleo converte energia elétrica em calor, levando os produtos à temperatura máxima de grafitização e concluindo o processo de grafitização. Este processo segue a lei Joule-Lenz.
Como pode ser visto, a temperatura em pontos diferentes dentro do núcleo do forno de grafitização varia e, mesmo no mesmo ponto, a temperatura varia com o tempo. Portanto, a temperatura do núcleo do forno de grafitização é uma função do espaço e do tempo, resultando em distribuição desigual de temperatura dentro do núcleo.
Quando o forno de grafitização de Acheson é ligado, o calor gerado pelo material do resistor aquece o produto, aumentando gradualmente a temperatura do núcleo do forno. Esse aumento de temperatura é altamente desigual no núcleo, resultando em variações significativas de temperatura. A diferença de temperatura entre o centro do núcleo do forno e o isolamento de ambos os lados pode atingir centenas de graus Celsius, e a diferença de temperatura entre a parte superior e a parte inferior do núcleo do forno também pode atingir centenas de graus Celsius. Portanto, essa distribuição desigual de temperatura dentro do mesmo núcleo do forno de grafitização é a principal causa de rachaduras nos produtos dentro do núcleo.
Com base nos anos de experiência em produção de grafitização, resumimos e analisamos brevemente as causas de rachaduras e rejeições em produtos de graphita de carbono durante o processo de grafitização. Essa discussão, conduzida em conjunto com os técnicos de engenharia de carbono, visa reduzir a rachadura e rejeitar no processo de grafitização, melhorar o rendimento do processo de grafitização, reduzir os custos de produção e aumentar a eficiência econômica.
Causas de rachaduras de grafitização em produtos
Durante o processo de grafitização, os fatores internos que contribuem para a quebra de produto são baixa qualidade do produto e baixa resistência ao calor. Os fatores externos incluem o rápido aumento da temperatura dentro do núcleo do forno durante a grafitização, o que aumenta o diferencial de temperatura entre a parte superior e a parte inferior do produto e ao redor do produto. Isso, por sua vez, aumenta o estresse térmico, que é a principal causa de rachadura do produto.
1. Processo de grafitização irracional
① Método de carregamento
Os fornos de grafitização de Acheson geralmente são carregados usando o método de carregamento vertical, que pode ser vertical ou escalonado. Ao carregar o produto no forno na posição vertical, cada produto é exposto a uma única zona de aquecimento de corrente de alta densidade. Quanto maior essa zona, mais uniformemente aquece o produto; Caso contrário, o aquecimento é altamente irregular. Ao carregar o produto na posição escalonada, cada produto é exposto a duas zonas de aquecimento de corrente de alta densidade, resultando em mais aquecimento uniforme em comparação com a carga vertical. Portanto, métodos de carregamento inadequados podem levar a diferenças significativas nas taxas de aumento da temperatura ao redor do produto durante a grafitização, resultando em tensões térmicas que excedem a tolerância do produto, tornando -o altamente suscetível a rachaduras.
② Sistema de fonte de alimentação irracional
O perfil de temperatura do núcleo do forno de grafitização de Acheson é controlado usando uma curva de energia de distribuição de energia constante. Se o sistema de fonte de alimentação não for otimizado, a potência inicial do forno de grafitização pode ser muito alta e aumentar muito rapidamente, resultando em gradientes excessivos de temperatura entre o interior e o exterior do produto durante o processo de fonte de alimentação. Isso gera tensões térmicas que excedem bastante a resistência do produto e causam rachaduras. Isso é especialmente verdadeiro quando a temperatura do forno está entre 1300 graus e 1800 graus, um estágio crítico de aumento da temperatura. Durante esse estágio, a estrutura física e a composição química do produto começam a sofrer mudanças significativas. A grafitização do carbono amorfo ainda não começou; Em vez disso, as reações químicas são predominantes. Elementos como hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e enxofre ligados à estrutura microcristalina de carbono amorfos escape continuamente. Esta versão reduz o número de elementos de impureza nas bordas da estrutura microcristalina, deixando para trás vários defeitos da rede. Isso também leva a um estresse térmico relativamente concentrado, tornando -o altamente suscetível a rachaduras.
③ Resistência do material do resistor
A resistência do núcleo do forno de grafitização é composta pela resistência do produto e pela resistência do material do resistor em série. Quando o forno de grafitização é inicialmente energizado, a resistência do material do resistor é responsável por aproximadamente 99% da resistência ao núcleo do forno e, após o término da energização, a resistência do material do resistor ainda é responsável por aproximadamente 97%. Portanto, durante todo o processo de grafitização, o calor gerado pela corrente que flui através do material do resistor aquece principalmente o produto. Se a resistência do material do resistor difere significativamente da do produto, o calor gerado pelo material do resistor durante o processo de grafitização será muito maior que o calor gerado pelo próprio produto. Isso cria uma diferença significativa de temperatura entre o interior e o exterior do produto, levando a tensão térmica excessiva e rachaduras no produto, resultando em sucata.
2. Qualidade de operação de grafitização ruim
① Qualidade de carregamento do forno ruim
As operações de carregamento do forno de grafitização não atendem aos padrões técnicos e do processo. Durante o carregamento, os produtos não são organizados perfeitamente no núcleo do forno, o espaçamento entre os grupos de produtos é inconsistente, o material do resistor é preenchido de forma desigual e até o material do resistor "protuberâncias". Isso resulta em distribuição de corrente desigual em todo o núcleo do forno durante a fonte de alimentação do forno de grafitização, levando a taxas desiguais de aquecimento e aumento da temperatura para os produtos. Isso leva a grandes diferenças de temperatura dentro dos produtos, e a tensão térmica resultante causa rachaduras e sucata.
② Qualidade desigual do material do resistor
Ao usar a Coca-Cola mista como material de resistor em um forno de grafitização, a resistividade do coque metalúrgico é 5-8 vezes maior que o da Coca-Cola grafitizada. Se a Coca -Cola metalúrgica e a coque grafitada não forem misturadas uniformemente, a distribuição de resistência em todo o núcleo do forno será altamente desigual, resultando em taxas inconsistentes de aumento da temperatura no núcleo do forno quando a energia for aplicada. Isso leva a grandes diferenças de temperatura entre a parte superior e inferior e em torno dos produtos, aumentando o estresse térmico e causando um grande número de produtos rachados.
③ Desvio atual do núcleo do forno de grafitização
De acordo com as leis de aquecimento elétrico de um forno de grafitização de Acheson, a distribuição de temperatura dentro do núcleo do forno de grafitização está intimamente relacionada não apenas à resistência do núcleo, mas também à corrente que flui através dele. Quando um desvio de corrente central ocorre em um forno de grafitização de Acheson devido a vários motivos, a corrente que flui através do núcleo varia significativamente, resultando em variações significativas na distribuição de temperatura do núcleo. Quando a distribuição da corrente principal varia significativamente, áreas com alta corrente geram mais calor, fazendo com que a temperatura do produto aumente mais rapidamente. Áreas com baixa corrente geram menos calor, fazendo com que a temperatura do produto aumente mais lentamente. Consequentemente, a distribuição de temperatura central varia significativamente, levando a grandes diferenças de temperatura dentro do produto e aumento do estresse térmico, o que pode causar rachaduras e resultar em sucata.
3. Qualidade do produto calcinado
① rachaduras internas no produto calcinado
As referências indicam que as faixas de temperatura de 350-500 graus e 700 graus e acima durante o processo de calcinação são as mais perigosas para falha do material de carbono. Quando a temperatura da superfície externa do produto atinge 800 graus e a diferença máxima de temperatura radial é de 10,7 graus, a área com um raio de 50-65 mm determina a força do material. Dentro de um raio de 65 mm do centro do espaço em branco, uma perigosa zona de tensão de tração. Em temperaturas de 700 graus ou mais, o estresse nessa área excede em muito o limite de força de fratura do material, levando ao desenvolvimento de rachaduras retas longitudinais no produto. Essas rachaduras geralmente não se estendem à superfície externa do produto, resultando em rachaduras internas.
② Homogeneidade do produto
A uniformidade da distribuição de densidade dos produtos de grafita de carbono e a uniformidade das distribuições de densidade radial e axial estão intimamente relacionados à qualidade do produto durante o tratamento térmico da grafitização. Em áreas onde a densidade do produto é distribuída de forma desigual, o estresse térmico durante o tratamento térmico da grafitização pode gerar facilmente o estresse interno no produto. Consequentemente, a distribuição do estresse interno é desigual, o que pode causar facilmente rachaduras no produto, resultando em produtos rachados e rejeitados durante o processo de grafitização.
③ Densidade em massa de alta produto
A densidade a granel dos produtos de grafita de carbono varia principalmente com as matérias-primas de produção e as condições do processo. A resistência à flexão do produto, o módulo elástico e a condutividade térmica aumentam com o aumento da densidade em massa. A alta densidade a granel aumenta o módulo de elástico e a fragilidade, levando a baixa resistência ao choque térmico. Durante o tratamento térmico da grafitização, o estresse térmico gerado pela alta temperatura excede em muito a tolerância à tensão inerente do produto, resultando em uma diferença significativa entre tensões internas e externas, levando a rachaduras e rejeitos.
④ Produção instável em processos anteriores
Como a grafitização é a etapa final do tratamento térmico na produção de produtos de grafita de carbono e também o tratamento térmico mais alto de temperatura, acredita-se que as flutuações de instabilidade ou qualidade nos processos anteriores sejam mais proeminentemente revelados durante o processo de grafitização. Se a temperatura de calcinagem for baixa, o ponto de amolecimento da afinação é abaixo do padrão, a temperatura de torrefação é baixa ou a taxa de ganho de peso de impregnação é abaixo do padrão, o produto experimentará o encolhimento secundário ou desigual durante o processo de grafitização de alta temperatura, tornando-o muito provável que rache e seja eliminado.
⑤ inchaço a gás
O processo de grafitização causa um certo grau de expansão irreversível de volume no produto. Isso se deve principalmente à liberação rápida e concentrada de enxofre durante o processo de grafitização. A extensão dessa expansão irreversível aumenta com o aumento do teor de enxofre e as taxas mais rápidas de tratamento térmico. Esse comportamento irreversível de expansão é conhecido como "inchaço a gás".
Como todos sabemos, o conteúdo de elementos não carbonos, como hidrogênio, oxigênio e nitrogênio no coque petrolífero calcinado em 1350 graus, geralmente é menor que 0,1%. No entanto, o enxofre está tão fortemente ligado aos átomos de carbono dos hidrocarbonetos aromáticos que as ligações Cs não começam a quebrar até temperaturas acima de 1400 graus, formando compostos de enxofre e enxofre-carbono. Em temperaturas mais altas, principalmente entre 1500 graus e 1800 graus, esses compostos de enxofre e enxofre-carbono são rapidamente liberados do produto como gases, gerando estresse interno significativo e formando pequenos poros e rachaduras dentro do produto. Quando o teor de enxofre atinge um certo nível, geralmente causa rachaduras no produto durante o processo de grafitização.
4. Prevenção de rachaduras de grafitização em produtos
um. Processo de grafitização razoável
① Selecionando o método de carregamento do forno
No processo de produção de forno de grafitização de Acheson, um método de carregamento de forno razoável é crucial para garantir a grafitização bem -sucedida do produto. Se os produtos são carregados verticalmente ou horizontalmente, e se são carregados na vertical ou escalonados, devem ser determinados com base no tipo de produto, especificações, padrões de qualidade e parâmetros do processo de equipamento. Isso garante aquecimento relativamente uniforme dos produtos dentro do núcleo do forno, reduzindo o estresse térmico e as rachaduras durante o processo de grafitização. Para produtos de tamanho grande, o carregamento escalonado (1/2d) pode reduzir a rachadura e obter melhores resultados de grafitização. Para produtos com altas taxas de sucata devido a trincas de grafitização e qualidade instável, as medidas de distribuição atuais também podem ser implementadas no núcleo do forno.
② Determine um sistema de fonte de alimentação razoável
A temperatura do núcleo do forno de grafitização é controlada usando uma curva de energia com distribuição constante de energia. Formular e implementar corretamente o sistema de fonte de alimentação do forno de grafitização é crucial para melhorar o rendimento, economizar energia e encurtar o ciclo de grafitização. O sistema de fonte de alimentação do forno de grafitização deve não apenas considerar fatores como estrutura do forno, tipo de produto e especificações, informações de qualidade, materiais de resistor, desempenho de isolamento e parâmetros do sistema de distribuição de energia, mas, mais importante, deve atender aos variados requisitos de aumento de temperatura do produto em diferentes estágios do forno de grafitização.
Um sistema de energia razoável para o forno de grafitização deve ser uma curva de energia de três estágios "rápida e rápida" para se adaptar aos diferentes requisitos dos três estágios do processo de aumento da temperatura do produto. O núcleo do forno deve ser mantido com uma taxa de aumento mais rápida da temperatura para reduzir a perda de calor do forno de grafitização sem fazer com que o gradiente de temperatura do núcleo do forno seja muito grande, o que pode causar rachaduras no produto. Para produtos com qualidade de grafitização instável, a taxa de aumento da temperatura do núcleo do forno no estágio de aumento da temperatura deve ser estritamente controlada para evitar aumento excessivo da temperatura e rachaduras no produto. Neste momento, a curva da fonte de alimentação deve ser ajustada. A potência de aceleração deve ser ajustada adequadamente para formar uma curva de transmissão de energia de quatro estágios: "Fast-llow-llow-Fast".
③ Determine o material de resistor adequado
O forno de grafitização de Acheson aquece principalmente o produto através do calor gerado pela corrente que passa pelo material do resistor. O material do resistor está intimamente relacionado às flutuações de temperatura no núcleo do forno. Para aumentar a temperatura do núcleo do forno de grafitização, o material do resistor requer uma resistência mais alta, especialmente nos estágios posteriores da transmissão de energia, quando a corrente de saída secundária do transformador atinge seu máximo. Isso permite uma maior resistência do núcleo e mantém alta eficiência elétrica. No entanto, a resistência ao material de resistor excessivamente alta também é inadequado. Portanto, ao selecionar o material do resistor, é importante considerar o desempenho do equipamento e o tipo de produto, as especificações e a curva de transmissão de energia para garantir que a resistência ao produto e a resistência ao material do resistor não diferam significativamente. Para produtos pequenos e médios, a Coca-Cola metalúrgica pode ser usada como material do resistor. Mesmo com uma potência inicial mais alta e uma potência de aceleração mais rápida, o produto geralmente não quebra. Para produtos grandes, a Coca -Cola mista ou a Coca -Cola grafitada é mais adequada como material do resistor, garantindo que o produto e as resistências de materiais resistores sejam comparáveis. A diferença de temperatura é menor e a diferença de temperatura entre o interior e a parte externa do produto também é reduzida. Mesmo com um aumento mais rápido, as rachaduras no produto não ocorrerão.
b. A qualidade operacional deve atender aos padrões
No processo de produção de grafitização, o carregamento do forno é fundamental. Como o produto carregado no forno de grafitização serve como o resistor de aquecimento e o objeto que está sendo aquecido, ele é combinado com o material de resistor apropriado para formar a resistência do núcleo do forno. A resistência adequada ao núcleo do forno é essencial para a grafitização do produto. Primeiro, o corpo do forno de grafitização, a rede curta do barramento e o equipamento do sistema de fonte de alimentação devem estar em boas condições. Durante a carga do forno, a seção transversal do núcleo do forno deve ser simétrica com a seção transversal condutora para impedir o desvio de corrente no núcleo do forno. O carregamento do forno deve cumprir a tecnologia de processo. Os regulamentos exigem que os produtos sejam organizados horizontal e verticalmente dentro do núcleo do forno, com espaçamento consistente entre os grupos de produtos. O material do resistor deve ser preenchido adequadamente para evitar peças salientes, garantindo uma distribuição de temperatura equilibrada dentro do núcleo do forno durante a fonte de alimentação no forno de grafitização. Além disso, a proporção do material do resistor deve atender ao processo de produção e padrões técnicos, garantindo a qualidade consistente para evitar a distribuição desigual de temperatura dentro do núcleo do forno durante a fonte de alimentação. Finalmente, o forno de grafitização deve fornecer energia de acordo com a curva de fonte de alimentação especificada, com flutuações de energia mantidas dentro dos limites normais para evitar flutuações anormais de energia, garantindo um aumento de temperatura equilibrado dentro do núcleo do forno.
c. Dominar informações de qualidade de processos anteriores
Manter o acesso oportuno a informações de produção e qualidade de processos anteriores é crucial. Com base nas especificações de estabilidade e qualidade dos produtos do processo anterior e nas práticas reais de produção do processo atual, um processo prático e viável de produção de grafitização e especificações técnicas devem ser desenvolvidas para evitar rachaduras e rejeições durante o processo de grafitização e garantir a qualidade de grafitização consistente. Durante o carregamento do forno de grafitização, inspecione cada produto quanto à aparência e qualidade. Quaisquer produtos que não atendam aos requisitos do processo de grafitização devem ser removidos. Os produtos que não atendem aos requisitos técnicos não devem ser carregados no forno de grafitização para grafitização e devem ser devolvidos prontamente ao processo anterior.
d. Adicionando uma quantidade apropriada de inibidor da inflação ao lote
A expansão e rachaduras irreversíveis causadas pela presença de enxofre durante o processo de grafitização não podem ser eliminadas, mas devem ser controladas. Atualmente, a abordagem mais eficaz é controlar a taxa de liberação de enxofre durante o processo de grafitização. O método mais prático é adicionar uma quantidade apropriada de inibidor da inflação ao processo de lotes, normalmente 1% -2% de pó Fe2O3.
O mecanismo de adicionar inibidores da inflação é que o inibidor captura enxofre dentro da faixa de temperatura da inflação de grafitização do produto, formando compostos de enxofre que são liberados como gases a temperaturas mais altas. Isso amplia a faixa de temperatura para liberação de enxofre, impedindo que o produto rache devido ao estresse interno excessivo causado pelo gás concentrado e escape rapidamente. O inibidor da inflação mais usado é o pó Fe2O3. Seu mecanismo de ação é que, a temperaturas acima de 1000 graus, o pó Fe2O3 é facilmente reduzido a compostos de ferro ou ferro de carbono. Os compostos de ferro-carbono se decompõem ainda em ferro e carbono a temperaturas mais altas. O ferro formado nesse processo reage com o enxofre liberado da decomposição do produto, liberando -o lentamente como sulfeto de ferro. Isso diminui a liberação de enxofre do produto e atua como um inibidor de enxofre.
O pó de Fe2O3 não apenas tem uma alta afinidade química por enxofre no produto, suprimindo efetivamente o enxofre, mas também é abundante e barato e não tem efeitos adversos no processo de fabricação de aço do forno elétrico. Além disso, o pó Fe2O3 tem um forte efeito catalítico no processo de grafitização do produto, tornando -o um excelente catalisador de grafitização. Portanto, para coca de petróleo com alto teor de enxofre, adicionar uma quantidade apropriada de pó de Fe2O3, um inibidor de flatulência, pode ter um efeito significativo no produto. A produção de produtos de graphita de carbono pode atingir vários objetivos de uma só vez.
Em suma, as causas de rachaduras e rejeição em produtos de graphita de carbono durante o processo de tratamento térmico de grafitização são multifacetadas e complexas. Para evitar rachaduras e rejeição em produtos de grafita de carbono durante o processo de tratamento térmico de grafitização, várias melhorias no processo e na tecnologia devem ser implementadas, com igual ênfase no próprio produto e no próprio produto. Os aspectos mais críticos são garantir alta qualidade do produto, excelente resistência ao calor e produção homogênea. Os indicadores de qualidade e técnico dos processos anteriores devem atender aos requisitos dos padrões do processo de produção, e as flutuações de qualidade devem ser mantidas dentro de faixas normais.
Além disso, durante o processo de tratamento térmico da grafitização, a taxa de aumento da temperatura do produto no núcleo do forno de grafitização de Acheson deve ser estritamente controlada para evitar aumentos excessivamente rápidos na temperatura do núcleo, o que aumentaria a diferença de temperatura dentro do produto e causaria um aumento do estresse térmico correspondentemente, levando a rachaduras e rejeição.