Grafitizacija je eden od primarnih procesov obdelave toplote pri proizvodnji izdelkov iz ogljikovega grafita. Acheson Graphitizacijska peč je prevladujoča vrsta peči, ki se trenutno uporablja za grafitizacijo izdelkov ogljikovega grafita. To je posebna odporna peč, ki občasno deluje z izdelkom in uporom znotraj peči kot "notranjega vira toplote" za neposredno ogrevanje. Prostor znotraj grafizacijske peči, kjer se postavljajo izdelki in uporni material, se imenuje jedro peči, s prečnim prerezom, ki se običajno giblje od 3 do 6 kvadratnih metrov.
Skozi peč se prenaša močan tok, odpornost jedra pa električno energijo pretvori v toploto, kar izdelke pripelje do največje temperature grafizacije in dokonča postopek grafizacije. Ta postopek sledi zakonu Joule-Lenz.
Kot je razvidno, se temperatura na različnih točkah v jedru grafizacije peči razlikuje in celo na isti točki se temperatura sčasoma spreminja. Zato je temperatura jedra grafizacije peči funkcija prostora in časa, kar ima za posledico neenakomerno porazdelitev temperature znotraj jedra.
Ko se vklopi peč Acheson grafitizacije, toplota, ki jo ustvari uporni material, ogreva izdelek in postopoma dviguje temperaturo jedra peči. Ta dvig temperature je v jedru zelo neenakomerna, kar ima za posledico pomembne temperaturne spremembe. Temperaturna razlika med sredino jedra peči in izolacijo na obeh straneh lahko doseže sto stopinj Celzija, temperaturna razlika med zgornjim in dnom jedra peči pa lahko doseže tudi sto stopinj Celzija. Zato je ta neenakomerna porazdelitev temperature znotraj istega jedra grafizacije peči glavni vzrok razpok v izdelkih v jedru.
Na podlagi dolgoletnih izkušenj s proizvodnjo grafitizacije smo na kratko povzeli in analizirali vzroke za pokanje in zavrnitve v izdelkih z ogljikovimi grafiti med postopkom grafitizacije. Ta razprava, ki je bila izvedena v povezavi s tehničnimi inženirskimi tehniki, želi zmanjšati pokanje in zavrnitev v procesu grafizacije, izboljšati donos procesa grafizacije, zmanjšati proizvodne stroške in izboljšati ekonomsko učinkovitost.
Vzroki za grafizacijo v izdelkih
Med postopkom grafizacije so notranji dejavniki, ki prispevajo k pokvarjenju izdelkov, nizka kakovost izdelka in slaba toplotna odpornost. Zunanji dejavniki vključujejo hitro dvig temperature znotraj jedra peči med grafizacijo, kar poveča temperaturno diferencial med zgornjim in dnom izdelka ter okoli izdelka. To posledično poveča toplotni stres, kar je glavni vzrok za pokanje izdelka.
1. postopek iracionalne grafitizacije
① Metoda nalaganja
Acheson Graphitizacijske peči se običajno naložijo z metodo navpične nalaganja, ki je lahko pokončna ali zamaknjena. Pri nalaganju izdelka v peči v pokončnem položaju je vsak izdelek izpostavljen enemu samem ogrevalnemu območju z visoko gostoto. Čim širši to območje je izdelek bolj enakomerno ogreval; V nasprotnem primeru je ogrevanje zelo neenakomerno. Pri nalaganju izdelka je vsak izdelek izpostavljen dvema ogrevalnih conah z visoko gostoto, kar ima za posledico bolj enakomerno ogrevanje v primerjavi z pokončno obremenitvijo. Zato lahko nepravilne metode nalaganja med grafizacijo privedejo do pomembnih razlik v stopnjah temperature okoli izdelka, kar ima za posledico toplotne napetosti, ki presegajo toleranco izdelka, zaradi česar je zelo dovzetna za pokanje.
② Iracionalni sistem napajanja
Temperaturni profil jedra grafitizacije Acheson je nadzorovan s pomočjo krivulje moči s konstantno porazdelitvijo moči. Če sistem napajanja ni optimiziran, je lahko začetna moč grafizacijske peči previsoka in se prehitro poveča, kar ima za posledico prekomerne temperaturne gradiente med notranjostjo in zunanjostjo izdelka med postopkom napajanja. To ustvarja toplotne napetosti, ki močno presegajo odpornost izdelka in povzročajo razpoke. To še posebej velja, če je temperatura peči med 1300 in 1800 stopinj, kar je kritična stopnja dviga temperature. V tej fazi se telesna struktura in kemična sestava izdelka začneta doživljati pomembne spremembe. Grafitizacija amorfnega ogljika se še ni začela; Namesto tega prevladujejo kemične reakcije. Elementi, kot so vodik, kisik, dušik in žveplo, vezani na amorfno ogljikovo mikrokristalno strukturo neprekinjeno pobegnejo. Ta izdaja zmanjšuje število elementov nečistoče na robovih mikrokristalne strukture, pri čemer za seboj pušča več napak pri rešetkah. To vodi tudi do razmeroma koncentriranega toplotnega stresa, zaradi česar je zelo dovzeten za razpoke.
③ upornost upornega materiala
Odpornost jedra za grafizacijo peči je sestavljena iz upornosti izdelka in upornosti upornega materiala. Ko je peč grafizacije sprva energijo, upor upora materiala predstavlja približno 99% upornosti jedra peči, po končani energiji pa upor upornega materiala še vedno predstavlja približno 97%. Zato v celotnem postopku grafizacije toplota, ki jo ustvarja tok, ki teče skozi uporni material, v glavnem ogreva izdelek. Če se upor uporovnega materiala močno razlikuje od izdelka, bo toplota, ki jo ustvari uporni material med postopkom grafizacije, veliko večja od toplote, ki jo ustvari sam izdelek. To ustvarja pomembno temperaturno razliko med notranjo in zunaj izdelka, kar vodi do prekomernega toplotnega napetosti in razpok v izdelku, kar ima za posledico ostanke.
2. Slaba kakovost delovanja grafitizacije
① Slaba kakovost nalaganja peči
Operacije nalaganja grafitizacije peči ne ustrezajo postopkom in tehničnimi standardi. Med nalaganjem izdelki niso urejeni v jedru peči, razmik med skupinami izdelkov je nedosleden, uporni material je neenakomerno napolnjen in celo uporni material "izbokline". To ima za posledico neenakomerno porazdelitev toka v celotni jedru peči med napajanjem v grafizacijsko peč, kar vodi do neenakomernih hitrosti ogrevanja in temperature za izdelke. To vodi do velikih temperaturnih razlik v izdelkih, posledični toplotni stres pa povzroči razpoke in ostanke.
② Kakovost materiala neenakomernega upora
Pri uporabi mešanega koksa kot upornega materiala v grafizacijski peči je upor metalurškega koksa 5-8-krat večja kot pri grafitiziranem koksu. Če metalurška koks in grafitizirani koks nista enakomerno mešana, bo porazdelitev upora po celotnem jedru peči zelo neenakomerna, kar ima za posledico neskladno stopnjo dviga temperature čez jedro peči, ko se nanese moč. To vodi do velikih temperaturnih razlik med zgornjim in dnom ter okoli izdelkov, kar povečuje toplotni stres in povzroči veliko število razpokanih izdelkov.
③ Grafitizacijska peč jedrna odstopanje trenutnega odstopanja
Glede na zakone o električnem ogrevanju peči Acheson grafizacijske peči je porazdelitev temperature znotraj jedra grafizacije tesno povezana ne le z odpornostjo jedra, ampak tudi s tokom, ki teče skozi njega. Kadar se v achesonski grafizacijski peči zaradi različnih razlogov pojavi jedro toka, se tok, ki teče skozi jedro, močno razlikuje, kar ima za posledico pomembne spremembe v porazdelitvi temperature jedra. Kadar se je osnovna porazdelitev toka bistveno razlikuje, območja z visokim tokom ustvarjajo več toplote, zaradi česar se temperatura izdelka hitreje dvigne. Območja z nizkim tokom ustvarjajo manj toplote, zaradi česar se temperatura izdelka počasneje dviguje. Posledično se porazdelitev temperature jedra močno razlikuje, kar vodi do velikih temperaturnih razlik znotraj izdelka in povečanega toplotnega napetosti, kar lahko povzroči razpoke in povzroči ostanke.
3. Kakovost kalciniranega izdelka
① Notranje razpoke v kalciniranem izdelku
Reference kažejo, da so temperaturni razponi 350-500 stopinj in 700 stopinj in več med postopkom kalcinacije najnevarnejši za okvaro ogljikovega materiala. Ko zunanja površinska temperatura izdelka doseže 800 stopinj in je največja radialna temperaturna razlika 10,7 stopinj, območje s polmerom 50-65 mm določa moč materiala. Znotraj polmera 65 mm od središča praznega tvori nevarno natezno stresno območje. Pri temperaturah 700 stopinj ali več stres na tem območju daleč presega mejo trdnosti zloma materiala, kar vodi do razvoja vzdolžnih ravnih razpok v izdelku. Te razpoke se na splošno ne razširijo na zunanjo površino izdelka, kar ima za posledico notranje razpoke.
② Homogenost izdelka
Enotnost porazdelitve gostote ogljikovih grafitnih izdelkov in enakomernost radialne in osne porazdelitve gostote sta tesno povezana s kakovostjo izdelka med toplotno obdelavo grafizacije. Na območjih, kjer je gostota izdelka neenakomerno porazdeljena, lahko toplotni stres med toplotno obdelavo grafizacije zlahka ustvari notranji stres v izdelku. Posledično je porazdelitev notranjega stresa neenakomerna, kar zlahka povzroči razpoke v izdelku, kar ima za posledico razpokane izdelke in zavrnitve med postopkom grafizacije.
③ Visoka gostota v veliki meri izdelka
Gostota v veliki meri ogljikovih grafitnih izdelkov se razlikuje predvsem glede na proizvodne surovine in procesne pogoje. Trdnost izdelka, elastični modul in toplotna prevodnost se povečujejo z naraščajočo gostoto v veliki meri. Visoka gostota v razsutem stanju povečuje elastični modul in krhkost, kar vodi do slabe odpornosti na toplotni udar. Med toplotno obdelavo grafizacije toplotni stres, ki ga ustvarja visoka temperatura, daleč presega inherentno napetostno toleranco izdelka, kar ima za posledico znatno razliko med notranjimi in zunanjimi napetostmi, kar vodi do razpok in zavrnitev.
④ Nestabilna proizvodnja v prejšnjih procesih
Ker je graficizacija končni korak obdelave toplote pri proizvodnji izdelkov iz ogljikovega grafita in tudi najvišje temperaturne toplotne obdelave, na splošno velja, da bodo med postopkom grafizacije najbolj razkrita nestabilnost ali nihanja kakovosti v prejšnjih procesih. Če je temperatura kalciniranja nizka, je točka mehčanja naklona podstandardna, temperatura praženja je nizka ali je hitrost povečanja teže impregnacije podstandardna, izdelek bo med postopkom grafizacije visoke temperature doživel sekundarno ali neenakomerno krčenje, zaradi česar se bo zelo porušila in se zasukala.
⑤ Plinsko napihnjenost
Postopek grafizacije povzroča določeno stopnjo nepopravljive širitve volumna v izdelku. To je predvsem posledica hitrega in koncentriranega sproščanja žvepla med postopkom grafizacije. Obseg te nepopravljive širitve se povečuje s povečanjem vsebnosti žvepla in hitrejše stopnje obdelave toplote. To nepopravljivo širitveno vedenje je znano kot "otekanje plina."
Kot vsi vemo, je vsebnost ne ogljikovih elementov, kot so vodik, kisik in dušik v naftnem koksu, kalcinirana na 1350 stopinj, na splošno manjša od 0,1%. Vendar je žveplo tako tesno vezan na ogljikove atome aromatičnih ogljikovodikov, da se CS vezi ne začnejo razbijati, dokler temperature nad 1400 stopinj ne tvorijo žvepla in žveplovega ogljika. Pri višjih temperaturah, predvsem med 1500 in 1800 stopinj, se te žveplove in žveplove ogljikove spojine hitro sprostijo iz proizvoda kot plinov, kar ustvarja pomemben notranji stres in tvori drobne pore in razpoke znotraj izdelka. Ko vsebnost žvepla doseže določeno raven, pogosto povzroči razpoke v izdelku med postopkom grafizacije.
4. Preprečevanje razpok grafitizacije v izdelkih
a. Razumni postopek grafitizacije
① Izbira načina nalaganja peči
V procesu proizvodnje grafitizacije Acheson je ključnega pomena razumna metoda nalaganja peči za zagotavljanje uspešne grafitizacije izdelka. Ne glede na to, ali se izdelki naložijo navpično ali vodoravno in ali so naloženi pokonci ali stegneni, je treba določiti na podlagi vrste izdelka, specifikacij, standardov kakovosti in parametrov opreme. To zagotavlja razmeroma enakomerno segrevanje izdelkov znotraj jedra peči, kar zmanjšuje toplotni stres in razpoka med postopkom grafizacije. Pri izdelkih velikih velikosti lahko stopenjska obremenitev (1/2D) zmanjša razpokanje in doseže boljše rezultate grafitizacije. Za izdelke z visokimi stopnjami odpadkov zaradi pokanje grafizacije in nestabilne kakovosti lahko v jedru peči izvedemo tudi trenutne distribucijske ukrepe.
② Določite razumen sistem napajanja
Temperatura jedra za grafizacijo je nadzorovana z uporabo krivulje moči s konstantno porazdelitvijo moči. Pravilno oblikovanje in izvajanje sistema napajanja grafitizacije peči je ključnega pomena za izboljšanje donosa, varčevanje z energijo in skrajšanje cikla grafizacije. Sistem za napajanje grafizacije peči ne sme upoštevati samo dejavnikov, kot so struktura peči, vrsta izdelka in specifikacije, kakovostne informacije, uporni materiali, učinkovitost izolacije in parametri sistema za distribucijo električne energije, še pomembneje pa je, da mora izpolnjevati različne potrebe po temperaturi izdelka v različnih stopnjah v različni stopnji v grafizacijski peči.
Učinkovit sistem za vklop grafizacijske peči bi moral biti tristopenjska krivulja moči "hitro počasna", da se prilagodi različnim zahtevam treh stopenj procesa dviga temperature izdelka. Jedro peči je treba hraniti s hitrejšo hitrostjo dviga temperature, da se zmanjša toplotna izguba grafizacijske peči, ne da bi povzročil, da je temperaturni gradient jedra peči prevelik, kar lahko povzroči razpoke v izdelku. Za izdelke z nestabilno kakovostjo grafizacije je treba hitrost zvišanja temperature v jedru peči v stopnji dviga temperature strogo nadzorovati, da se prepreči prekomerni dvig temperature in razpoke v izdelku. Trenutno je treba nastaviti krivuljo napajanja. Moč za povečanje je treba ustrezno prilagoditi tako, da tvori štiristopenjsko krivuljo prenosa moči: "Hitro-počasi-počasi."
③ Določite ustrezen uporni material
Acheson grafizacijska peč v glavnem segreva izdelek skozi toploto, ki jo ustvarja tok, ki prehaja skozi uporni material. Uporni material je tesno povezan s temperaturnimi nihanji v jedru peči. Za povečanje temperature jedra grafizacije peči zahteva uporni material večji upor, zlasti v poznejših fazah prenosa moči, ko sekundarni izhodni tok transformatorja doseže največ. To omogoča višjo odpornost jedra in ohranja visoko električno učinkovitost. Vendar pa je tudi pretirano visoka upornost upornega materiala neprimerna. Zato je pri izbiri upornega materiala pomembno upoštevati delovanje opreme in vrsto izdelka, specifikacije in krivuljo prenosa moči, da se zagotovi, da se upornost izdelka in upornost upornega materiala ne razlikujeta bistveno. Za majhne in srednje velike izdelke se lahko kot uporni material uporablja metalurški koks. Tudi pri višji izhodiščni moči in hitrejšim moči rampa se izdelek na splošno ne poruši. Za velike izdelke je mešani koks ali grafitizirani koks bolj primeren kot uporni material, kar zagotavlja, da sta upornost izdelka in upornega materiala primerljiva. Temperaturna razlika je manjša, temperaturna razlika med notranjosti in zunaj izdelka pa se tudi zmanjša. Tudi s hitrejšim povečanjem energije se razpoke v izdelku ne bodo pojavile.
b. Operativna kakovost mora izpolnjevati standarde
V procesu proizvodnje grafitizacije je nalaganje peči ključnega pomena. Ker izdelek, naložen v grafizacijsko peč, služi kot ogrevalni upor in objekt, ki se segreje, kombiniramo z ustreznim uporom materialom, da tvori upornost jedra peči. Pravilna odpornost jedra peči je bistvenega pomena za grafitizacijo izdelkov. Najprej morajo biti omrežje za grafizacijo peči, kratko omrežje Busbar in oprema za napajanje v dobrem stanju. Med nalaganjem peči mora biti prerez jedra peči simetričen s prevodnim prerezom, da se prepreči trenutni odklon v jedru peči. Nalaganje peči mora biti v skladu s procesno tehnologijo. Predpisi zahtevajo, da se izdelki razporedijo vodoravno in navpično znotraj jedra peči, z doslednimi razmiki med skupinami izdelkov. Uporni material je treba pravilno napolniti, da se izognete previsnim deležem, s čimer zagotavlja uravnoteženo porazdelitev temperature znotraj jedra peči med napajanjem v grafizacijsko peč. Poleg tega mora razmerje uporovnega materiala izpolnjevati proizvodni proces in tehnične standarde, s čimer zagotavlja dosledno kakovost, da se izognete neenakomerni porazdelitvi temperature znotraj jedra peči med napajanjem. Nazadnje mora grafizacijska peč zagotoviti moč v skladu z določeno krivuljo napajanja, z nihanji moči, ki ohranjajo v normalnih mejah, da se prepreči nenormalna nihanja moči, kar zagotavlja uravnoteženo dvig temperature znotraj jedra peči.
c. Obvladovanje kakovostnih informacij iz prejšnjih procesov
Ključnega pomena je vzdrževanje pravočasnega dostopa do proizvodnje in kakovostnih informacij iz prejšnjih procesov. Na podlagi stabilnosti in kakovostnih specifikacij izdelkov iz prejšnjega procesa in dejanskih proizvodnih praks trenutnega procesa je treba razviti praktični in izvedljivi proizvodni postopek in tehnične specifikacije za preprečevanje razpok in zavrnitev med postopkom grafizacije ter zagotoviti dosledno kakovost grafitizacije. Med nalaganjem grafizacije peči preglejte vsak izdelek glede videza in kakovosti. Vse izdelke, ki ne ustrezajo zahtevam postopka grafizacije, je treba odstraniti. Izdelki, ki ne ustrezajo tehničnim zahtevam, ne smejo biti naloženi v grafizacijsko peč za grafizacijo in jih je treba takoj vrniti v prejšnji postopek.
d. Dodajanje ustrezne količine zaviralca inflacije v šaržo
Nepovratne širitve in razpok, ki ga povzroča prisotnost žvepla med postopkom grafizacije, ni mogoče odpraviti, vendar ga je treba nadzorovati. Trenutno je najučinkovitejši pristop za nadzor hitrosti sproščanja žvepla med postopkom grafizacije. Najbolj praktična metoda je dodajanje ustrezne količine zaviralca inflacije v postopek šarženja, običajno 1% -2% Fe2O3 v prahu.
Mehanizem dodajanja zaviralcev inflacije je, da zaviralec zajame žveplo v temperaturnem območju inflacije grafitizacije izdelka in tvori žveplove spojine, ki se sproščajo kot plini pri višjih temperaturah. To razširi temperaturno območje za sproščanje žvepla, kar preprečuje, da bi izdelek pokvaril zaradi prekomernega notranjega stresa, ki ga povzroča koncentriran in hitro pobeg plina. Najpogosteje uporabljen zaviralec inflacije je prah Fe2O3. Njegov mehanizem delovanja je, da se pri temperaturah nad 1000 stopinj v prahu Fe2O3 zlahka zmanjša na železove ali ogljikove železne spojine. Ogljikovo-železne spojine se pri višjih temperaturah še razpadajo v železo in ogljik. Železo, oblikovano v tem procesu, reagira z žveplom, ki se sprosti iz razpadanja izdelka in ga počasi sprošča kot železni sulfid. To upočasni sproščanje žvepla iz izdelka in deluje kot zaviralec žvepla.
Fe2O3 v prahu ne le visoko kemično afiniteto do žvepla v izdelku, ki učinkovito zavira žveplo, ampak je tudi obilen in poceni in nima škodljivih učinkov na postopek izdelave električne peči. Poleg tega ima prah Fe2O3 močan katalitični učinek na proces grafizacije izdelka, zaradi česar je odličen katalizator grafitizacije. Zato lahko za naftno koks z visoko vsebnostjo žvepla dodajanje ustrezne količine prahu Fe2O3, zaviralca nadula, pomembno vpliva na izdelek. Proizvodnja izdelkov iz ogljikovega grafita lahko naenkrat doseže več ciljev.
Skratka, vzroki za pokanje in zavrnitev v izdelkih iz ogljikovih grafitov med postopkom čiščenja toplote za grafizacijo so večplastni in zapleteni. Da bi preprečili razpokanje in zavrnitev v ogljikovih grafitnih izdelkih med postopkom toplotne obdelave z grafizacijo, je treba implementirati različne izboljšave procesov in tehnologije, pri čemer je enak poudarek tako na samem izdelku kot tudi na izdelku. Najbolj kritični vidiki so zagotavljanje visoke kakovosti izdelka, odlične toplotne odpornosti in homogene proizvodnje. Kakovost in tehnični kazalniki prejšnjih procesov morajo izpolnjevati zahteve standardov proizvodnih procesov, nihanja kakovosti pa morajo biti v normalnih območjih.
Poleg tega je treba med postopkom toplotne obdelave grafizacije hitrost dviga temperature izdelka v jedru za grafizacijo Acheson strogo nadzorovati, da se prepreči pretirano hitro zvišanje temperature jedra, kar bi povečalo temperaturno razliko znotraj proizvoda in povzročilo ustrezno povečano toplotno napetost, kar vodi do razpok in zavrnitev.