Сырье применяемое для производства угольных и графитированных электродов

Для производства угольных и графитированных изделий применяют материалы двух видов: 1) твердые углеродистые материалы, которые составляют основу («скелет») электрода, и 2) связующие материалы, которые заполняют промежутки между зернами твердых углеродистых материалов и соединяют (цементируют) эти зерна между собой при коксовании электрода в процессе обжига.
Основным элементом, составляющим твердые углеродистые и связующие материалы, является углерод.
По современным представлениям известны только две алло тропические формы твердого углерода: алмаз и графит. Так называемый аморфный углерод (угли, антрацит, коксы, сажа и т. д.) есть графит, имеющий мелкокристаллическую структуру.
При термической обработке углей, например, при их коксовании, происходит изменение — укрупнение в них кристаллов, графита. Наиболее резкое изменение размеров кристаллов, графита наблюдается при высокой температуре, когда переход мелких кристаллов в крупные происходит более интенсивно и полнее.
Твердые углеродистые материалы, используемые в производстве угольных изделий, по их происхождению подразделяют на естественные и искусственные. К первым относится только один антрацит; ко вторым — термоантрацит, литейный (каменноугольный) кокс, нефтяной и пековый коксы. Кроме того, в шихту угольных изделий добавляют бой электродов и небольшое количество графита.
Антрацит, в отличие от прочих ископаемых углей, имеет высокое содержание углерода, большую механическую прочность, малый выход летучих веществ, малую гигроскопичность и высокую термическую стойкость.
Антрацит содержит (в зависимости от сорта) 92—96 % углерода и 3—4% летучих веществ. Удельный вес антрацита 1,30—1,70; твердость 3; механическая прочность на раздавливание — от 150 до 350 кг/см2. Температура начала окисления прокаленного антрацита 490° С. Благодаря этим свойствам антрацит является ценным сырьем для производства электротермических электродов и футеровочных блоков. Однако вследствие наличия даже в лучших сортах антрацита значительных количеств (до 5%) золы его не применяют для производства анодов.
Термоантрацит получается в результате специальной термической обработки антрацита в шахтных печах при температуре 1100—1250° с одновременным пропусканием через него водяного пара. В результате такой обработки у термоантрацита повышается содержание углерода (97—98%), снижается содержание летучих (0,2—0,8%) и влаги (0,1—0,2%), возрастает электропроводность, термостойкость и механическая прочность.
Термоантрацит, как и антрацит, применяют преимущественно в качестве сырья для производства электротермических электродов и футеровочных изделий (катодных блоков и плит).
Литейный (каменноугольный) кокс получается из каменных углей в коксовых печах нагреванием без доступа воздуха при температуре около 900—1300° С. Литейный кокс характеризуется малым содержанием летучих (1,5%) и высокой электропроводностью. Зольность литейного кокса 8—14%, а содержание углерода — до 85 %. Литейный кокс применяют в качестве сырья для производства катодных блоков и боковых плит, а также для электротермических электродов.
Нефтяной кокс является продуктом коксования тяжелых нефтяных остатков, получаемых при пиролизных или крекинговых процессах на нефтеперегонных заводах. Нефтяной кокс — черная с серебристым отливом ноздреватая хрупкая масса, содержащая сравнительно высокое количество летучих (до 7%).
Нефтяной кокс является наиболее чистым по золе твердым углеродистым сырьем; его применяют для производства анодов, анодной массы, а также для изготовления электродов, подлежащих графитированию. Нефтяной кокс должен содержать влаги не более 3%; летучих — не более 7%; золы, в зависимости от сорта, — от 0,3 до 0,8%, из них до 0,08% Fe2O3 и до 0,07% SiO2. Температура начала окисления нефтяного кокса: непрокаленного 235° С, прокаленного 275° С.
Пековый кокс — углеродистый материал, получаемый путем сухой перегонки каменноугольной смолы или путем коксования каменноугольного пека. По внешнему виду он похож на нефтяной кокс. Пековый кокс, как и нефтяной, отличается от других углеродистых материалов малым содержанием золы (0,3—1,0%), но по сравнению с нефтяным коксом он имеет большую механическую прочность, меньшее содержание летучих (0,8—1,0%) и более высокую температуру начала окисления (475° С). Содержание влаги в пековом коксе не должно превышать 3%, а серы 0,7%. Пековый кокс является лучшим видом сырья для производства анодов и анодной массы.
Графит отличается от угля более высокой теплопроводностью и электропроводностью, большой инертностью по отношению к кислороду, расплавленным средам и т. д.
Графит в качестве сырья для изготовления электродов применяют в небольших количествах (5—10%). Его вводят в шихту с целью увеличения пластичности угольной массы при прессовке и улучшения электропроводности и термостойкости электродов.
Наилучшими связующими материалами при производстве угольных электродов являются каменноугольный пек и смола.
Каменноугольная смола — вязкая жидкость темно-коричневого цвета с удельным весом от 1,05 до 1,25. Ее состав и физические свойства чрезвычайно разнообразны и зависят от условий получения. Смола является побочным продуктом коксования. В основном качество смолы зависит от температурных условий, при которых производят коксование.
Качество смолы определяется величиной коксового остатка и количеством свободного углерода. Наиболее полезной частью смол является «связующий кокс» (коксовый остаток минус свободный углерод). Поэтому стремятся к получению смол, содержащих максимальное количество связующего кокса.
По своему качеству смола, применяемая для производства угольных изделий, должна удовлетворять следующим требованиям:

Основными качественными показателями смолы являются удельный вес и свободный углерод.
Каменноугольный пек — твердое вещество блестящего цвета. Удельный вес его — от 1,245 до 1,299. Пек получают путем отгона из смолы легкого, среднего, тяжелого и антраценового масел. После отгонки в перегонном кубе остается вязкая черная масса, называемая пеком. В зависимости от полноты отгона антрацена пеки получаются с различной температурой размягчения: мягкий пек (40—55°С), средний (65—75°С) и твердый (80—100°С).
Каменноугольные пеки, применяемые в электродной промышленности, должны удовлетворять следующим техническим условиям:

Вода, входящая в состав пека, содержится в нем либо в механически взвешенном состоянии, либо в качестве поглощенной. Механически взвешенная вода обычно выделяется на поверхность пека и легко удаляется. Поглощенную воду удается выделить из пека только при нагревании его до 110°C.
Наиболее ценной частью пека — является связующий кокс, количество которого определяют, как в смоле, вычитанием из коксового остатка свободного углерода.
Смолу применяют для понижения температуры размягчения пека. Количественное отношение между пеком и смолой обусловливается температурой размягчения смолопека и определяется обычно опытным путем.