O processo de produção de materiais de carbono é um sistema de engenharia rigorosamente controlado. A produção de eletrodos de grafite, materiais de carbono especiais, alumínio-carbono e novos materiais de carbono de alta qualidade está intrinsecamente ligada ao uso de matérias-primas, equipamentos, tecnologia e gestão, quatro fatores de produção, bem como à tecnologia proprietária relacionada.
As matérias-primas são os principais fatores que determinam as características básicas dos materiais de carbono, e o desempenho das matérias-primas determina o desempenho dos materiais de carbono fabricados. Para a produção de eletrodos de grafite UHP e HP, o coque de agulha de alta qualidade é a primeira escolha, mas também é necessário asfalto ligante e asfalto impregnante de alta qualidade. No entanto, apenas matérias-primas de alta qualidade, sem equipamentos, tecnologia, fatores de gestão e tecnologia proprietária relacionada, não são suficientes para produzir eletrodos de grafite UHP e HP de alta qualidade.
Este artigo aborda as características do coque de agulha de alta qualidade, expondo alguns pontos de vista pessoais para discussão entre fabricantes de coque de agulha, fabricantes de eletrodos e institutos de pesquisa científica.
Embora a produção industrial de coque de agulha na China seja posterior à de empresas estrangeiras, ela se desenvolveu rapidamente nos últimos anos e começou a se consolidar. Em termos de volume total de produção, consegue atender basicamente à demanda de coque de agulha para eletrodos de grafite UHP e HP produzidos por empresas nacionais de carbono. No entanto, ainda existe uma certa diferença na qualidade do coque de agulha em comparação com o produzido por empresas estrangeiras. A flutuação no desempenho dos lotes afeta a demanda por coque de agulha de alta qualidade na produção de eletrodos de grafite UHP e HP de grande porte, especialmente porque não há coque de agulha de alta qualidade para juntas que atenda às necessidades da produção de eletrodos de grafite.
Empresas estrangeiras de carbono que produzem eletrodos de grafite UHP e HP de grandes especificações geralmente utilizam coque de agulha de petróleo de alta qualidade como principal matéria-prima. Empresas japonesas de carbono também utilizam coque de agulha de carvão como matéria-prima, mas apenas para a produção de eletrodos de grafite com diâmetro inferior a 600 mm. Atualmente, o coque de agulha na China é principalmente coque de agulha de carvão. A produção de eletrodos de grafite UHP de alta qualidade em larga escala por empresas de carbono frequentemente depende da importação de coque de agulha de petróleo, especialmente a produção conjunta de coque de agulha de petróleo da série Suishima (Japão) e da série HSP (Reino Unido) como matéria-prima.
Atualmente, o coque de agulha produzido por diversas empresas é geralmente comparado com os índices de desempenho comerciais do coque de agulha estrangeiro por meio de índices convencionais, como teor de cinzas, densidade real, teor de enxofre, teor de nitrogênio, distribuição granulométrica, coeficiente de expansão térmica e assim por diante. No entanto, ainda há uma carência de classificações diferenciadas para o coque de agulha em comparação com os países estrangeiros. Portanto, a produção de coque de agulha, coloquialmente, também como um "produto único", não reflete a qualidade superior do coque de agulha.
Além da comparação de desempenho convencional, as empresas de carbono também devem atentar para a caracterização do coque acicular, como a classificação do coeficiente de expansão térmica (CTE), resistência das partículas, grau de anisotropia, dados de expansão em estado não inibido e inibido, e faixa de temperatura entre expansão e contração. Como essas propriedades térmicas do coque acicular são muito importantes para o controle do processo de grafitização na produção de eletrodos de grafite, a influência das propriedades térmicas do coque asfáltico formado após a calcinação do ligante e do agente impregnante asfáltico não pode ser descartada.
1. Comparação da anisotropia do coque acicular
(A) Amostra: corpo de eletrodo UHP de φ 500 mm de uma fábrica de carbono nacional;
Coque de agulha como matéria-prima: Novo produto químico japonês de grau LPC-U, proporção: 100% grau LPC-U; Análise: planta SGL Griesheim; Os indicadores de desempenho são mostrados na Tabela 1.
(B) Amostra: corpo de eletrodo HP de φ 450 mm de uma fábrica de carbono nacional; matéria-prima: coque de agulha de óleo de uma fábrica nacional, proporção: 100%; análise: Fábrica de Carbono de Bazan, Shandong; os indicadores de desempenho são mostrados na Tabela 2.
Como pode ser observado na comparação entre as Tabelas 1 e 2, o coque de agulhas de grau lPC-U das novas jazidas de carvão com beneficiamento químico diário apresenta grande anisotropia nas propriedades térmicas, com anisotropia do coeficiente de expansão térmica (CTE) atingindo valores entre 3,61 e 4,55, e anisotropia da resistividade também significativa, chegando a valores entre 2,06 e 2,25. Além disso, a resistência à flexão do coque de agulhas de petróleo nacional é superior à do coque de agulhas de grau lPC-U das novas jazidas de carvão com beneficiamento químico diário. O valor da anisotropia é consideravelmente menor no coque de agulhas de grau lPC-U das novas jazidas de carvão com beneficiamento químico diário.
A análise do grau de anisotropia na produção de eletrodos de grafite de ultra-alta potência é um método importante para estimar a qualidade da matéria-prima de coque de agulha. O grau de anisotropia, naturalmente, também influencia o processo de produção do eletrodo; eletrodos de baixa potência apresentam melhor desempenho em choques térmicos do que eletrodos com grau de anisotropia extremamente elevado.
Atualmente, a produção de coque de agulhas de carvão na China é muito maior do que a de coque de agulhas de petróleo. Devido ao alto custo da matéria-prima e ao preço das empresas de carbono, é difícil utilizar 100% de coque de agulhas nacional na produção de eletrodos de ultra-alta potência (UHP), sendo necessário adicionar uma certa proporção de coque de petróleo calcinado e pó de grafite para produzir o eletrodo. Portanto, é difícil avaliar a anisotropia do coque de agulhas nacional.
2. Propriedades lineares e volumétricas do coque de agulha
O desempenho de variação linear e volumétrica do coque de agulha reflete-se principalmente no processo de grafização realizado pelo eletrodo. Com a variação da temperatura, o coque de agulha sofre expansão e contração linear e volumétrica durante o aquecimento no processo de grafização, o que afeta diretamente a variação linear e volumétrica do tarugo calcinado no eletrodo. Essa variação não se repete para diferentes propriedades do coque bruto e diferentes graus de coque de agulha. Além disso, a faixa de temperatura de variação linear e volumétrica de diferentes graus de coque de agulha e coque de petróleo calcinado também é diferente. Somente dominando essa característica do coque bruto é possível controlar e otimizar melhor a sequência química de produção de grafização. Isso é especialmente evidente no processo de grafitização em série.
A Tabela 3 mostra as alterações lineares e volumétricas, bem como as faixas de temperatura, de três tipos de coque de agulha de petróleo produzidos pela Conocophillips no Reino Unido. A expansão linear ocorre primeiro quando o coque de agulha de petróleo começa a aquecer, mas a temperatura no início da contração linear geralmente fica atrás da temperatura máxima de calcinação. De 1525 °C a 1725 °C, inicia-se a expansão linear, e a faixa de temperatura de toda a contração linear é estreita, de apenas 200 °C. A faixa de temperatura de toda a contração linear do coque de petróleo comum com retardo de calcinação é muito maior do que a do coque de agulha, e a do coque de agulha de carvão fica entre as duas, ligeiramente maior do que a do coque de agulha de petróleo. Os resultados dos testes do Instituto de Testes de Tecnologia Industrial de Osaka, no Japão, mostram que quanto pior o desempenho térmico do coque, maior a faixa de temperatura de retração da linha, chegando a 500 ~ 600℃, e a temperatura inicial de retração da linha é baixa, começando a ocorrer entre 1150 ~ 1200℃, o que também é uma característica do coque de petróleo retardado comum.
Quanto melhores as propriedades térmicas e maior a anisotropia do coque acicular, menor será a faixa de temperatura de contração linear. Alguns coques aciculares de petróleo de alta qualidade apresentam uma faixa de temperatura de contração linear de apenas 100 a 150 °C. Para empresas do setor de carbono, é muito vantajoso orientar o processo de produção de grafitização após compreender as características de expansão, contração e reexpansão linear de diversos tipos de coque, evitando assim o desperdício de produtos com baixa qualidade causado pelo uso do método empírico tradicional.
3. Conclusão
Dominar as diversas características das matérias-primas, escolher equipamentos adequados, combinar bem as tecnologias e adotar uma gestão empresarial mais científica e racional, com todo esse sistema de processo rigorosamente controlado e estável, pode ser considerado a base para a produção de eletrodos de grafite de alta potência e ultra-alta qualidade.
Data da publicação: 30 de dezembro de 2021