فرآیند گرافیت‌سازی مواد آند

2025-03-26

۱ گرافیت‌سازی

فرآیند گرافیت‌سازی یک فرآیند است که در آن ماده کربنی با استفاده کامل از حرارت مقاومت تا دمای ۲۳۰۰~۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود تا کربن آمورف با ساختار لایه‌ای نامنظم به ساختار بلوری جوهر سنگی منظم تبدیل شود. انرژی تبدیل ساختار بلوری گرافیت و جابه‌جایی اتم‌ها از درمان حرارتی با دمای بالا به دست می‌آید. با افزایش دمای درمان حرارتی، فاصله لایه‌های گرافیت به تدریج کاهش می‌یابد و معمولاً بین ۰.۳۴۳ نانومتر تا ۰.۳۴۶ نانومتر است. تغییر هنگامی که دما به ۲۵۰۰ درجه سانتی‌گراد برسد، قابل توجه است و هنگامی که دما به ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد برسد، به تدریج کند می‌شود تا زمانیکه کل فرآیند گرافیت‌سازی کامل شود. ماده آند گرافیتی مصنوعی از طریق درمان حرارتی با دمای بالا به گرافیت‌سازی، ساختار کربن به طور موفقیت‌آمیز به ساختار گرافیت تبدیل شده و عملکرد مربوط به آند باتری لیتیوم را دارد.

2. نوع و فرآیند کوره گرافیتی‌سازی مواد آند

در حال حاضر، انواع کوره‌های مورد استفاده در فرایند گرافیتی‌سازی مواد آند عمدتاً شامل کوره گرافیتی‌سازی آچیسون، کوره گرافیتی‌سازی سری داخلی، کوره گرافیتی‌سازی نوع جعبه و کوره گرافیتی‌سازی پیوسته می‌باشد که در میان آن‌ها، رایج‌ترین نوع، کوره گرافیتی‌سازی آچیسون است و تعداد کمی از کوره‌های گرافیتی‌سازی سری داخلی استفاده می‌شود. کوره‌های گرافیتی‌سازی نوع جعبه و پیوسته، نوع جدید کوره‌هایی هستند که در سال‌های اخیر توسعه یافته‌اند. کوره گرافیتی‌سازی نوع جعبه به‌سرعت در حال توسعه است و عمدتاً از طریق نوسازی کوره آچیسون و ساخت جزئی جدید انجام می‌شود. کوره گرافیتی‌سازی پیوسته به‌تازگی ساخته شده و هنوز در حال آزمایش است، نوع کوره و فرآیند آن به‌طور کامل کامل نشده است و مدتی طول می‌کشد تا به‌طور گسترده استفاده شود.

کوره آچیسون به نصب ماده آند کربنی در کوره یک‌حفره‌ای (کوره یک‌حفره‌ای) اختصاص دارد و سپس کوره به کوره گرافیتی‌سازی بارگذاری می‌شود و ماده مقاومتی بین مقاومت نصب می‌شود و دو طرف و پوشش بالای آن با ماده عایق بارگذاری می‌شود تا گرافیتی‌سازی از طریق انتقال برق کامل شود. کوره گرافیتی‌سازی سری داخلی به نصب ماده آند کربنی در کوره متخلخل (کوره 9 حفره‌ای) اختصاص دارد و سپس کوره به صورت پیوسته در کوره گرافیتی از طریق حالت اتصال سری متصل می‌شود و دو طرف و پوشش بالای آن با مواد عایق بارگذاری می‌شود تا گرافیتی‌سازی از طریق انتقال برق کامل شود. کوره گرافیتی‌سازی نوع جعبه به بارگذاری ماده منفی کربن به‌طور مستقیم به داخل جعبه بزرگ نصب شده با صفحه کربن یا صفحه گرافیتی از پیش اختصاص دارد و صفحه پوششی کربنی یا گرافیتی به‌عنوان مقاومت اضافه می‌شود، و مواد حفظ حرارت در بالای آن و دو طرف به گرافیتی‌سازی از طریق انتقال برق وارد می‌شود. کوره گرافیتی‌سازی پیوسته به بارگذاری مداوم ماده آند کربنی به داخل محفظه کوره گرافیتی‌سازی اختصاص دارد، که پس از گرافیتی‌سازی در دمای بالا، خنک‌سازی و تخلیه می‌شود.

3. نکات کلیدی فنی در فرآیند کوره‌های گرافیتی‌سازی مختلف

فرآیند پردازش مواد آند عمدتاً به دو لینک کلیدی تقسیم می‌شود: دانه‌بندی و گرافیتی‌سازی، و هر دوی آن‌ها دارای موانع فنی بالایی هستند. مواد آند از طریق گرافیتی‌سازی می‌توانند به‌طور قابل توجهی ظرفیت ویژه مواد آند را بهبود بخشند، که اثر اول، سطح ویژه، چگالی فشرده‌سازی، هدایت الکتریکی، ثبات شیمیایی و مانند این‌ها استانداردهای عملکرد است، بنابراین کنترل و تسلط بر فناوری گرافیتی‌سازی خوب، رویکرد مهمی برای تضمین کیفیت مواد آند است، زیرا فناوری کوره‌های نوع جعبه و کوره گرافیتی‌سازی پیوسته به‌طور کامل تکمیل نشده است، در زیر بر روی نکات فرآیند کوره آچیسون و کوره گرافیتی‌سازی سری داخلی تمرکز می‌کنیم.

3.1 بارگذاری کوره آچیسون و کوره سری داخلی (کوره)

3.1.1 چیدمان مواد فرار در حین بارگیری کوره

زمانی که دما در کوره گرافیتی به ۲۰۰~۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد افزایش می‌یابد، تعداد زیادی از مواد فرار از الکترود منفی در کوره خارج خواهند شد. اگر این مواد فرار به موقع تخلیه نشوند، ممکن است منجر به انباشت مواد فرار شود که این امر می‌تواند حادثه‌ای ایمنی در کوره اسپری ایجاد کند. زمانی که مقدار زیادی از مواد فرار فرار کنند و احتراق مواد فرار به اندازه کافی نباشد، باعث تولید حجم زیادی از دود سیاه شده و منجر به آلودگی محیط زیست یا حوادث زیست‌محیطی می‌شود. بنابراین، در هنگام بارگذاری کوره باید به نکات زیر توجه شود:

(1) هنگام نصب کوره الکترود منفی، ضروری است که همراستایی مناسبی بر اساس سطح محتوای فرار انجام شود تا از تمرکز و تجمع بیش از حد قسمت‌های با محتوای فرار بالا در فرآیند انتقال قدرت جلوگیری شود؛

(2) باید روزنه‌های هوای مناسبی در بالای ماده عایق تعیین شود تا یک فرار موثر ایفا کند؛

(3) هنگام طراحی منحنی تأمین برق، ضروری است که به کاهش مناسب منحنی در مرحله تخلیه متمرکز ورقه‌های قابل اشتعال به طور کامل توجه شود، بنابراین امکان تخلیه ورقه‌ها به آرامی و سوختن کامل آن‌ها فراهم می‌شود؛

(4) انتخاب معقول مواد کمکی، اطمینان از ترکیب اندازه ذرات کمک، کاهش مقدار پودر 0~1 میلی‌متر در مواد کمکی، معمولاً کمتر از 10% می‌باشد.

۳.۱.۲ مقاومت کوره هنگام بارگیری باید یکنواخت باشد

وقتی الکترود منفی و ماده مقاومتی به طور یکنواخت در کوره توزیع نشده باشند، جریان از محلی با مقاومت کم جاری می‌شود و پدیده جریان بایاس رخ می‌دهد که بر اثر گرافیتی شدن کل الکترود منفی کوره تأثیر می‌گذارد. بنابراین، هنگام بارگیری کوره باید به نکات زیر توجه شود:

(1) هنگام بارگذاری کوره، ماده مقاومتی باید از سر محفظه کوره به انتهای خط طولی محفظه کوره تخلیه شود تا از تمرکز ذرات کوچک یا بزرگ جلوگیری شود؛

(2) قرار دادن گلدان قدیمی و جدید در یک کوره نیز نیاز به ترکیب معقول دارد، باید از قرار دادن گلدان جدید با لایه و گلدان قدیمی با لایه خودداری شود؛

(3) از قرار دادن ماده مقاومتی در معرض دیواره جانبی مواد اجتناب شود.

3.2 کوره آچه‌سون و تأمین برق کوره‌های سری داخلی

3.2.1 مبنای شکل‌گیری منحنی قدرت برای ماده آنود در حین انتقال قدرت

بر اساس نیازهای کیفی مختلف مواد کاتد، می‌توان آن را به مواد دمای پایین (2 800 ℃)، مواد دمای متوسط (2 950 ℃)، مواد دمای بالا (3 000 ℃) تقسیم کرد، اما فرآیند درمان دمای بالا برای گرافیتی شدن معمولاً بین 2 250 ℃ و 3 000 ℃ است. به منظور رسیدن به دمای مورد نیاز در تمام نقاط کوره، لازم است که در فرآیند دمای بالا به مدت معینی نگه داشته شود. به منظور اطمینان از یکنواختی دما در کوره، معمولاً به دلیل نوع مختلف کوره، نیاز به نگه‌داشتن زمان‌های مختلف است، معمولاً دمای بالا به مدت 6~30 ساعت نگه داشته می‌شود، در فرآیند انتقال انرژی برای جلوگیری از بازگشت مقاومت کوره نیاز به نگه‌داشتن 3~6 ساعت است. وضعیت خاص باید براساس نکات فنی زیر مورد بررسی و شکل‌گیری قرار گیرد.

(1) انتخاب منحنی‌های گرمایش مختلف بر اساس هسته کوره، ماده آنود، ماده مقاومتی، گلدان، مقدار بارگذاری کوره و غیره؛

(2) منحنی‌های مختلف باید بر اساس ورقه‌های قابل اشتعال مواد آنود و مواد مقاومتی در کوره انتخاب شود. اگر ورقه‌های قابل اشتعال زیاد باشد، باید منحنی گرمایش کندتری انتخاب شود؛ در غیر این صورت، باید سریع‌تر انتخاب شود؛

(3) زمانی که محتوای خاکستر مواد آنود و مواد مقاومتی در کوره بالا باشد یا ماده آنود به‌طور نسبی به سختی گرافیتی شود، زمان انتقال قدرت باید به طور مناسب افزایش یابد.

۳.۲.۲ فرآیند انتقال قدرت مواد آند برای جلوگیری از حوادث تزریق کوره

زیرا ماده آند پودری است، محتویات فرار بالا و تخلیه آن آسان نیست، احتمال ایجاد قوس زیاد است و محتویات فرار بالا می‌تواند باعث حوادث کوره شود، فرآیند عملیاتی خاص باید به موارد زیر توجه کند:

(1) هنگامی که مواد آند در کوره آچسون نصب می‌شود، مواد مقاومتی باید به تدریج افزایش یابد تا از قوس ناشی از مواد مقاومتی معلق بین کوره در حین انتقال برق جلوگیری شود؛

(۲) تغییر جابه‌جایی ماده منفی کوره سری داخلی عمدتاً در فرآیند انتقال قدرت کاهش می‌یابد. بنابراین، هنگامی که ماده منفی در کوره نصب می‌شود، باید طول حرکت سیلندر هیدرولیک محاسبه شود تا اطمینان حاصل شود که در فرآیند انتقال قدرت، حرکتی و فشار کافی وجود دارد تا از وقوع حادثه کوره پاشش قوس ناشی از افت فشار جلوگیری شود؛

(۳) باید ذرات درشت و مواد با فراریت کم برای هر دو نوع کوره انتخاب شوند؛

(4) در فرآیند انتقال نیرو، به این نکته توجه کنید که آیا گرمایش موضعی در کوره وجود دارد یا خیر.

(۵) در فرآیند انتقال قدرت، باید به دقت توجه شود که آیا در کوره پدیده آتش متقابل در سقف و دیواره کوره وجود دارد یا خیر؛

(۶) در فرآیند انتقال قدرت، باید به دقت توجه شود که آیا در کوره صدای غرش کم وجود دارد یا خیر؛

(۷) باید به دقت توجه شود که آیا در فرآیند انتقال قدرت نوسان بزرگ جریان وجود دارد یا خیر.

اگر در فرآیند انتقال قدرت پدیده‌های (۴)-(۷) رخ دهد، باید به‌موقع قدرت قطع شود تا از وقوع حادثه تزریق کوره جلوگیری شود.

۳.۳ خنک‌سازی و پخت

(۱) در فرآیند خنک‌سازی گرافیتی‌شدن، نمی‌توان ماده آند را با آب‌پاشی به‌زور خنک کرد، بلکه می‌توان آن را با گرفتن لایه‌به‌لایه ماده با سطل‌گرفتن یا دستگاه مکش به‌طور طبیعی خنک کرد.

(۲) دماي کوره ماده آند حدود ۱۵۰ درجه سانتیگراد بهتر است، حذف زودهنگام کوره، به‌دلیل دمای بالا، منجر به اکسیداسیون ماده آند می‌شود و سطح خاص آن افزایش می‌یابد، همچنان که هزینه آسیب اکسیداسیون کوره نیز افزایش خواهد یافت. درآوردن کوره خیلی دیر نیز باعث اکسیداسیون پودر ماده کاتد می‌شود، سطح خاص افزایش می‌یابد، چرخه تولید طولانی‌تر و هزینه‌ها افزایش می‌یابد.

(۳) در دمای بالای گرافیتی‌شدن به ۳۰۰۰ درجه سانتیگراد، تمام عناصر به جز عنصر C بخار شده و تخلیه می‌شوند. اما هنوز مقدار کمی ناخالصی در فرآیند خنک‌سازی روی سطح کاتد جذب خواهد شد؛ سطح کوره یک لایه پوسته سخت و زبر تشکیل می‌دهد، مواد با خاکستر بالا و فراریت بالا مواد بیشتری از پوسته سخت تشکیل می‌دهند. انتخاب مواد کم خاکستر و کم فراریت بر اساس این دلیل است.

(۴) اختلاف عملکرد مواد پوسته سخت در شاخص و مواد آند دارای کیفیت بسیار زیاد است، بنابراین هنگامی که کوره را در می‌آورید، لازم است که در ابتدا مواد پوسته سخت به ضخامت ۱~۵ میلی‌متر را برای ذخیره و نگهداری جداگانه بشکنید، ماده دارای کیفیت با سطح صاف معمولاً جمع‌آوری می‌شود، در کیسه تن قرار داده می‌شود و به مشتریان تحویل داده می‌شود.