عملية تقليل الجرافيت لمادة الأنود

2025-03-26

1 تقليل الجرافيت

عملية تقليل الجرافيت هي عملية يتم فيها تسخين المادة الكربونية إلى 2300~3000 درجة مئوية باستخدام الحرارة المقاومة، بحيث يتم تحويل الكربون غير المتبلور ذو الهيكل الطبقي العشوائي إلى هيكل كريستالي مرتب. تأتي طاقة تحويل هيكل كريستال الجرافيت وإعادة ترتيب الذرات من معالجة الحرارة عالية الحرارة. مع زيادة درجة حرارة المعالجة الحرارية، يتناقص تباعد طبقات الجرافيت تدريجياً، وعادة ما يتراوح بين 0.343 نانومتر و0.346 نانومتر. يكون التغيير ملحوظا عندما تصل درجة الحرارة إلى 2500 درجة مئوية، ويتباطأ تدريجياً عندما تصل درجة الحرارة إلى 3000 درجة مئوية، حتى يكتمل كامل عملية التقليل. مادة الأنود من الجرافيت الاصطناعي تمر بمعالجة حرارية عالية الحرارة، حيث يتم تحويل هيكل الكربون بنجاح إلى هيكل الجرافيت وتكون لها الوظيفة المقابلة لبطارية الليثيوم.

2. نوع الفرن الرئيسي وعملية تقليل مادة الأنود

في الوقت الحالي، تشمل أنواع الأفران المستخدمة في عملية تقليل مادة الأنود بشكل رئيسي فرن تقليل آتشيسون، فرن تقليل السلسلة الداخلية، فرن تقليل من نوع صندوق، وفرن تقليل مستمر، من بينها الأكثر شيوعًا هو فرن تقليل آتشيسون، ويستخدم عدد قليل من أفران السلسلة الداخلية. فرن تقليل من نوع صندوق وفرن تقليل مستمر هما نوعان جديدان من الأفران تم تطويرهما في السنوات الأخيرة. يتم تطوير فرن تقليل من نوع صندوق بسرعة، بشكل رئيسي من خلال تجديد فرن آتشيسون وبعض البناء الجديد. فرن التقليل المستمر هو مبني حديثاً وما زال في مرحلة الاختبار، نوعه وعملية لم تتطور بشكل كامل، وسيتطلب بعض الوقت ليتم استخدامه على نطاق واسع.

فرن آتشيسون هو لتركيب مادة الأنود الكربونية في وعاء فردي (وعاء بمكان واحد)، ثم يتم تحميل الوعاء في فرن التقليل ويتم تثبيت مادة المقاومة بين المقاومة، ويتم تحميل الجانبين والغطاء العلوي بمادة العزل لإتمام التقليل من خلال نقل الكهرباء. فرن التقليل الداخلي السلس هو لتركيب مادة الأنود الكربونية في وعاء مسامي (وعاء بتسعة ثقوب)، ثم يتم توصيل الوعاء من طرف إلى آخر في فرن الجرافيت من خلال وضع الاتصال السلس، ويتم تحميل الجانبين والغطاء العلوي بمادة عازلة لإتمام عملية التقليل من خلال نقل الكهرباء. فرن التقليل من نوع صندوق هو لتحميل المادة السلبية الكربونية مباشرة في صندوق كبير مثبت به لوحة كربونية أو لوحة جرافيت مسبقًا، وإضافة لوحة غطاء كربونية أو جرافيت كمقاومة، ويتم إدخال مادة عزل في الجزء العلوي وعلى الجانبين لتقليل الكهرباء. فرن التقليل المستمر هو لاستمرار إضافة مادة الأنود الكربونية إلى غرفة فرن التقليل، بعد أن يتم تخفيضها بدرجة حرارة عالية يتم تفريغها بعد التبريد.

3. النقاط الفنية الأساسية في عملية فرن الجرافيت المختلفة

تتمثل عملية معالجة مواد الأنود بشكل رئيسي في رابطين رئيسيين، هما تكوير الجسيمات والتجرافيتة، وكلاهما يمتلك حواجز تقنية عالية. يمكن أن تحسن عملية الجرافيتة بشكل كبير سعة المواد الأنودية النوعية، التأثير الأول، المساحة السطحية النوعية، كثافة التعبئة، التوصيلية، الاستقرار الكيميائي، مثل مؤشرات الأداء، لذا فإن التحكم وإتقان تقنية الجرافيتة الجيدة يعدان نهجًا مهمًا لضمان جودة المواد الأنودية، بسبب عدم نضج تقنية فرن الصندوق ونظام فرن الجرافيتة المستمر بالكامل. فيما يلي يركز على فرن آتشيسون ونقاط عملية فرن الجرافيتة الداخلي.

3.1 تحميل فرن آتشيسون وفرن السلسلة الداخلية (القولبة)

3.1.1 توزيع المتطايرات أثناء تحميل الفرن

عند ارتفاع درجة الحرارة في فرن الجرافيتة إلى 200~1,000 ℃، سيتم إخراج عدد كبير من المواد المتطايرة من القطب السالب في الفرن. إذا لم يتم التخلص من المواد المتطايرة في الوقت المناسب، فقد يؤدي ذلك إلى تراكم المواد المتطايرة، مما سيسبب حادثا أمنيا في فرن الرش. عند هروب عدد كبير من المواد المتطايرة، فإن احتراق المتطايرات لن يكون كافيًا، مما سينتج عنه كميات كبيرة من الدخان الأسود، مما يؤدي إلى تلوث البيئة أو حوادث بيئية. لذلك، يجب الانتباه إلى النقاط التالية عند تحميل الفرن:

(1) عند تثبيت فرن القطب السالب، يجب إجراء توزيع معقول وفقًا لمستوى محتوى المواد المتطايرة، لتجنب تركيز أجزاء ذات محتوى عالٍ من المواد المتطايرة في عملية نقل الطاقة؛

(2) يجب وضع فتحات هواء مناسبة في الجزء العلوي من المواد العازلة لضمان التهوية الفعالة؛

(3) عند تصميم منحنى إمداد الطاقة، يجب أخذ في الاعتبار إبطاء المنحنى بشكل مناسب في مرحلة التفريغ المركز للمواد المتطايرة، بحيث يمكن إفراز المتطايرات ببطء وحرقها بالكامل؛

(4) اختيار معقول للمواد المساعدة، ضمان تركيبة حجم الجسيمات المساعدة، وتقليل نسبة مسحوق 0~1 مم في المواد المساعدة، وعادة ما تمثل أقل من 10%.

3.1.2 يجب أن تكون مقاومة الفرن متساوية عند التحميل

عندما لا يتم توزيع القطب السالب ومواد المقاومة بالتساوي في الفرن، ستتدفق التيار من المكان ذي المقاومة المنخفضة، وسيتكرر ظاهرة التيار المنحرف، مما يؤثر على تأثير تجرافيتة القطب السالب في الفرن بأكمله. لذا، يجب الانتباه إلى النقاط التالية عند تحميل الفرن:

(1) عند تحميل الفرن، يجب تصريف مادة المقاومة من رأس حجرة الفرن إلى ذيل الحجرة الطويلة لتجنب تركيز الجسيمات الصغيرة أو الكبيرة؛

(2) يجب مراعاة التوزيع المعقول بين القالب القديم والجديد عند دخولهم نفس الفرن، مع الانتباه لتجنب ظاهرة أن يكون القالب الجديد ببطانة واحدة، والقالب القديم ببطانة واحدة؛

(3) تجنب المواد المقاومة المكشوفة في مادة الجدار الجانبي.

3.2 فرن أشيزون ونظام إمداد الطاقة للفرن الداخلي

3.2.1 أساس صياغة منحنى الطاقة لمادة الأنود أثناء نقل الطاقة

وفقًا لمتطلبات الجودة المختلفة لمادة الكاثود، يمكن تقسيمها إلى مواد ذات درجة حرارة منخفضة (2800 ℃) ومواد ذات درجة حرارة متوسطة (2950 ℃) ومواد ذات درجة حرارة عالية (3000 ℃)، لكن عملية المعالجة الحرارية العالية لعملية الجرافة عادة ما تكون بين 2250 ℃ و3000 ℃، من أجل جعل جميع المواقع في الفرن تصل إلى درجة الحرارة المطلوبة، يجب البقاء في عملية درجات الحرارة العالية لفترة من الوقت. لضمان تناسق درجة الحرارة في الفرن، عادة بسبب نوع الفرن المختلف، يجب البقاء لفترات زمنية مختلفة، وبشكل عام يتم الحفاظ على درجة الحرارة العالية لمدة تتراوح بين 6~30 ساعة، في عملية نقل الطاقة لتجنب ارتداد مقاومة الفرن يجب الحفاظ على 3~6 ساعات. تحتاج الحالة الخاصة إلى أن يتم استكشافها وصياغتها وفقًا للنقاط الفنية التالية.

(1) اختيار منحنيات تسخين مختلفة وفقًا لجوهر الفرن ومادة الأنود ومادة المقاومة والقالب وكمية تحميل الفرن، إلخ؛

(2) يجب اختيار منحنيات مختلفة وفقًا للمواد المتقلبة لمواد الأنود ومواد المقاومة في الفرن. إذا كانت المواد المتقلبة عالية، يجب اختيار منحنى تسخين أبطأ؛ خلاف ذلك، ينبغي اختيار واحد أسرع؛

(3) عندما تكون نسبة الرماد في مادة الأنود ومادة المقاومة في الفرن عالية أو تكون مادة الأنود صعبة نسبيًا في الجرافة، يجب تمديد مدة نقل الطاقة بشكل مناسب.

3.2.2 عملية نقل الطاقة لمادة الأنود لمنع حوادث حقن الفرن

نظرًا لأن مادة الأنود هي مادة مسحوقية، ومحتوى المواد المتطايرة مرتفع وليس من السهل تفريغها، من السهل إنتاج قوس وحوادث بسبب المحتوى العالي من المواد المتطايرة، يجب الانتباه إلى الأمور التالية في عملية التشغيل المحددة:

(1) عند تثبيت مادة الأنود في فرن أشيزون، يجب رفع مادة المقاومة لتجنب القوس الناتج عن المادة المقاومة المعلقة بين القالب أثناء نقل الطاقة؛

(2) التغير في إزاحة المادة السلبية في الفرن الداخلي يتم تقليله بشكل رئيسي في عملية نقل الطاقة. لذلك، عند تثبيت المادة السلبية في الفرن، يجب حساب مدى اسطوانة الهيدروليك لضمان وجود مقدار كافٍ من الضغط في عملية نقل الطاقة، وذلك لتجنب حادث رش قوس الفرن الناتج عن فقدان الضغط؛

(3) يجب اختيار جزيئات خشنة ومواد ذات مواد متطايرة منخفضة لكلا نوعي الفرن؛

(4) خلال عملية نقل الطاقة، يجب الانتباه عن كثب إلى ما إذا كان هناك تسخين محلي في الفرن؛

(5) خلال عملية نقل الطاقة، يجب الانتباه عن كثب إلى ما إذا كانت هناك ظاهرة اشتعال متقاطع في قمة الفرن وجدار الفرن؛

(6) في عملية نقل الطاقة، من الضروري الانتباه جيدًا لما إذا كان هناك زئير منخفض في الفرن؛

(7) من الضروري الانتباه جيدًا لما إذا كان هناك تقلب كبير في التيار أثناء عملية نقل الطاقة.

إذا حدثت ظاهرة (4)-(7) في عملية نقل الطاقة، يجب قطع الطاقة في الوقت المناسب لتجنب حدوث حادث حقن الفرن.

3.3 التبريد والخبز

(1) في عملية تبريد الجرافيت، لا يمكن إجبار مادة الأنود على التبريد عن طريق المياه، ولكن يمكن تبريدها بشكل طبيعي عن طريق انتزاع المادة طبقة تلو الأخرى باستخدام دلو التقاط أو جهاز شفط.

(2) يجب إخراج وعاء مادة الأنود عند حوالي 150 درجة مئوية، فإن الإزالة المبكرة للوعاء، بسبب الحرارة العالية، تؤدي إلى أكسدة مادة الأنود، وزيادة المساحة السطحية النوعية، مما سيؤدي أيضًا إلى زيادة تكلفة ضرر أكسدة الوعاء. إن إخراج الوعاء متأخرًا جدًا سيجعل أيضًا مسحوق الكاثود مؤكسدًا، وتزداد المساحة السطحية النوعية، ويصبح دورة الإنتاج أطول وتزداد التكلفة.

(3) تحت درجة حرارة جرافيتية عالية تبلغ 3000 درجة مئوية، تتبخر جميع العناصر باستثناء العنصر C وتخرج. ومع ذلك، لا تزال هناك كميات صغيرة من الشوائب في عملية التبريد تمتص على سطح الكاثود، وستتكون على سطح الوعاء طبقة من القشرة الخشنة الصلبة، وتكون المواد ذات الرماد العالي والمواد المتطايرة العالية تشكل مواد أكثر صلابة. يعتمد اختيار المواد الحاملة ذات الرماد المنخفض والمواد المتطايرة المنخفضة على هذا السبب.

(4) يختلف أداء مواد القشرة الصلبة بشكل كبير عن أداء مواد الأنود المؤهلة، لذا عند إخراج الوعاء، من الضروري كسر مادة القشرة الصلبة بسمك 1~5 ملم مسبقًا للتخزين والتخزين بشكل منفصل، ويتم جمع المادة المؤهلة ذات السطح الأملس بشكل عادي، ووضعها في كيس طن للتخزين والتوصيل للعملاء.