Quy trình graphit hóa vật liệu cathode

2025-03-26

1. Quy trình graphit hóa

Quy trình graphit hóa là quá trình mà vật liệu có chứa carbon được đun nóng lên 2300~3000 ℃ bằng cách tận dụng tối đa nhiệt điện trở, để từ đó carbon vô định hình với cấu trúc lớp hỗn loạn biến đổi thành cấu trúc tinh thể đá mực có trật tự. Năng lượng của sự biến đổi cấu trúc tinh thể graphit và sự tái sắp xếp nguyên tử đến từ việc xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao. Khi nhiệt độ xử lý tăng lên, khoảng cách giữa các lớp than chì dần giảm, thường nằm trong khoảng từ 0,343 nm đến 0,346 nm. Sự thay đổi này rất đáng kể khi nhiệt độ đạt 2500 ℃, và dần chậm lại khi nhiệt độ đạt 3000 ℃, cho đến khi toàn bộ quy trình graphit hóa hoàn thành. Vật liệu cathode than chì nhân tạo được trải qua quy trình xử lý nhiệt độ cao graphit hóa, cấu trúc carbon đã được chuyển đổi thành cấu trúc than chì và có chức năng tương ứng của anode pin lithium.

2. Loại lò chính và quy trình graphit hóa của vật liệu cathode

Hiện nay, các loại lò được sử dụng trong quy trình graphit hóa vật liệu cathode chủ yếu bao gồm lò graphit hóa Acheson, lò graphit hóa kiểu nội bộ, lò graphit hóa kiểu hộp và lò graphit hóa kiểu liên tục, trong đó lò graphit hóa Acheson được sử dụng phổ biến nhất, và một số ít lò graphit hóa kiểu nội bộ được sử dụng. Lò graphit hóa kiểu hộp và lò graphit hóa liên tục là các loại lò mới được phát triển trong những năm gần đây. Lò graphit hóa kiểu hộp phát triển nhanh chóng, chủ yếu thông qua cải tạo lò Atchison và một phần xây mới. Lò graphit hóa liên tục là lò mới xây dựng và vẫn đang trong quá trình thử nghiệm, loại lò và quy trình của nó chưa hoàn toàn trưởng thành, và sẽ cần một thời gian để nó được sử dụng rộng rãi.

Lò Atchison được lắp đặt vật liệu cathode carbon trong bình (bình 1 lỗ), sau đó bình được đưa vào lò graphit hóa và vật liệu điện trở được lắp đặt giữa điện trở, hai bên và nắp trên được lắp đặt vật liệu cách nhiệt để hoàn thành quá trình graphit hóa qua việc truyền điện. Lò graphit hóa kiểu trong nối tiếp là lắp đặt vật liệu cathode carbon trong bình xốp (bình 9 lỗ), sau đó bình được nối đầu với đầu trong lò graphit qua chế độ nối tiếp, và hai bên và nắp trên được lắp đặt vật liệu cách nhiệt để hoàn thành graphit hóa qua việc truyền điện. Lò graphit hóa kiểu hộp là chất liệu âm carbon được tải trực tiếp vào hộp lớn được lắp đặt sẵn với tấm carbon hoặc tấm graphit, và thêm tấm che carbon hoặc graphit làm điện trở, phần trên và hai bên của vật liệu giữ nhiệt vào trong lò graphit hóa qua việc truyền điện. Lò graphit hóa liên tục là liên tục thêm vật liệu cathode carbon vào buồng lò graphit hóa, sau khi graphit hóa nhiệt độ cao, tiến hành xả sau khi làm nguội.

3. Các điểm kỹ thuật chính trong quy trình lò graphit hóa khác nhau

Quy trình xử lý của vật liệu cathode chủ yếu được chia thành hai liên kết chính, tạo hạt và graphit hóa, và cả hai đều có rào cản kỹ thuật cao. Vật liệu cathode qua graphit hóa có thể cải thiện đáng kể khả năng lưu trữ cụ thể của vật liệu cathode, hiệu ứng đầu tiên, diện tích bề mặt đặc trưng, độ chặt, độ dẫn điện, độ ổn định hóa học, như chỉ số hiệu suất, vì vậy việc kiểm soát và nắm vững công nghệ graphit hóa tốt là một cách quan trọng để đảm bảo chất lượng của vật liệu cathode, vì công nghệ lò kiểu hộp và lò graphit hóa liên tục chưa hoàn toàn trưởng thành. Dưới đây sẽ tập trung vào các điểm quy trình của lò Atchison và lò graphit hóa kiểu trong nối tiếp.

3.1 Tải vật liệu của lò Acheson và lò trong nối tiếp (bình)

3.1.1 Phối hợp các chất bay hơi trong quá trình tải lò

Khi nhiệt độ trong lò graphit hóa tăng lên 200~1.000 ℃, một lượng lớn chất bay hơi sẽ được thải ra từ điện cực âm trong lò. Nếu các chất bay hơi không thể được thải ra kịp thời, điều này có thể dẫn đến sự tích tụ của các chất bay hơi, khiến xảy ra tai nạn an toàn cho lò phun. Khi một lượng lớn chất bay hơi thoát ra, sự cháy của các chất bay hơi không đủ, sẽ sản sinh ra một lượng lớn khói đen, gây ô nhiễm môi trường hoặc tai nạn môi trường. Vì vậy, cần chú ý đến các điểm sau khi tải lò:

(1) Khi lắp đặt lò điện cực âm, cần phải thực hiện phối hợp hợp lý theo mức độ nội dung chất bay hơi để tránh sự tập trung quá mức và sự tập trung của các phần có chất bay hơi cao trong quá trình truyền điện;

(2) Cần thiết lập các lỗ thông hơi phù hợp trên đỉnh vật liệu cách nhiệt để có thể thoát khí hiệu quả.

(3) Khi thiết kế đường cong cấp nguồn, cần phải xem xét đầy đủ việc làm chậm đường cong một cách hợp lý trong giai đoạn xả tích tụ của các chất bay hơi, để các chất bay hơi có thể được xả chậm và đốt cháy hoàn toàn;

(4) Lựa chọn vật liệu phụ trợ hợp lý, đảm bảo thành phần kích thước hạt, giảm lượng bột 0~1 mm trong vật liệu phụ trợ, nói chung chiếm dưới 10%.

3.1.2 Độ kháng của lò nên đồng đều khi nạp

Khi điện cực âm và vật liệu kháng không được phân bố đồng đều trong lò, dòng điện sẽ chảy từ nơi có độ kháng thấp, và hiện tượng dòng điện thiên lệch sẽ xảy ra, ảnh hưởng đến hiệu quả graphit hóa của toàn bộ điện cực âm trong lò. Do đó, cần chú ý đến các điểm sau đây khi nạp lò:

(1) Khi nạp lò, vật liệu kháng nên được xả từ đầu buồng lò tới đuôi dây dài của buồng lò để tránh sự tập trung của hạt nhỏ hoặc hạt lớn;

(2) Cốc cũ và mới vào cùng một lò cũng cần phải được phối hợp hợp lý, tránh hiện tượng cốc mới có một lớp, cốc cũ có một lớp;

(3) Tránh cho vật liệu kháng lộ ra bên vật liệu thành bên.

3.2 Lò Acheson và lò chuỗi nội bộ cung cấp điện

3.2.1 Cơ sở để xây dựng đường cong cung cấp điện cho vật liệu điện cực dương trong quá trình truyền điện

Theo các yêu cầu chất lượng khác nhau của vật liệu điện cực âm, nó có thể được chia thành vật liệu nhiệt độ thấp (2 800 ℃), vật liệu nhiệt độ trung bình (2 950 ℃), vật liệu nhiệt độ cao (3 000 ℃), nhưng quy trình xử lý nhiệt độ cao graphit hóa thường nằm giữa 2 250 ℃ và 3 000 ℃, để làm cho tất cả các vị trí trong lò đạt được nhiệt độ yêu cầu, cần giữ ở trong quy trình nhiệt độ cao trong một khoảng thời gian. Để đảm bảo sự đồng nhất của nhiệt độ trong lò, thường do loại lò khác nhau, cần giữ thời gian khác nhau, nhiệt độ cao chung thường giữ từ 6~30 h, trong quá trình truyền điện để ngăn ngừa sự bật lại của độ kháng lò cần giữ từ 3~6 h. Tình huống cụ thể cần được khám phá và xây dựng theo các điểm kỹ thuật sau.

(1) Lựa chọn các đường cong gia nhiệt khác nhau theo lõi lò, vật liệu điện cực dương, vật liệu kháng, cốc, lượng tải lò, v.v.;

(2) Các đường cong khác nhau nên được chọn theo lượng bay hơi của vật liệu điện cực dương và vật liệu kháng trong lò. Nếu lượng bay hơi cao, nên chọn đường cong gia nhiệt chậm hơn; nếu không, nên chọn đường cong nhanh hơn;

(3) Khi hàm lượng tro của vật liệu điện cực dương và vật liệu kháng trong lò cao hoặc vật liệu điện cực dương tương đối khó graphit hóa, thời gian truyền điện nên được kéo dài một cách hợp lý.

3.2.2 Quy trình truyền điện vật liệu điện cực dương để ngăn ngừa tai nạn bơm vào lò.

Bởi vì vật liệu anot là vật liệu dạng bột, hàm lượng bay hơi cao và khó giải phóng, dễ phát sinh hồ quang và hàm lượng bay hơi cao có thể gây ra tai nạn lò, quy trình vận hành cụ thể cần chú ý đến các vấn đề sau:

(1) Khi vật liệu anot được lắp đặt trong lò Acheson, vật liệu điện trở nên được nâng lên để tránh hiện tượng hồ quang do vật liệu điện trở bị treo giữa nồi nung trong quá trình truyền tải điện.

(2) Sự thay đổi vị trí của vật liệu âm trong lò kiểu nội bộ chủ yếu giảm trong quá trình truyền tải điện. Do đó, khi lắp đặt vật liệu âm trong lò, cần tính toán hành trình của xi lanh thủy lực để đảm bảo có hành trình và áp lực đủ trong quá trình truyền tải điện, nhằm tránh tai nạn phun hồ quang do mất áp lực;

(3) Nên chọn các hạt thô và vật liệu có độ bay hơi thấp cho cả hai loại lò;

(4) Trong quá trình truyền tải điện, cần chú ý theo dõi xem có hiện tượng nóng cục bộ trong lò không;

(5) Trong quá trình truyền tải điện, cần chú ý theo dõi xem đỉnh lò và tường lò có hiện tượng chéo lửa hay không;

(6) Trong quá trình truyền tải điện, cần chú ý theo dõi xem có tiếng ồn thấp trong lò không;

(7) Cần chú ý theo dõi xem có sự dao động lớn của dòng điện trong quá trình truyền tải điện không.

Nếu xảy ra hiện tượng (4)-(7) trong quá trình truyền tải điện, cần cắt điện kịp thời để tránh xảy ra tai nạn phun trong lò.

3.3 Làm mát và nướng

(1) Trong quá trình làm mát graphit hóa, không được buộc phải làm mát bằng cách tưới nước đối với vật liệu anot, mà có thể làm mát tự nhiên bằng cách nhấc vật liệu theo từng lớp bằng xô gắp hoặc thiết bị hút.

(2) Đối với vật liệu anot, nhiệt độ khoảng 150 ℃ là tốt nhất, việc lấy khuôn ra sớm sẽ dẫn đến nhiệt độ cao, làm cho vật liệu anot bị oxy hóa, diện tích bề mặt cụ thể tăng lên, đồng thời cũng làm tăng chi phí thiệt hại do oxy hóa của khuôn. Lấy khuôn ra quá muộn cũng sẽ làm cho vật liệu bột catot bị oxy hóa, diện tích bề mặt cụ thể tăng lên, chu kỳ sản xuất dài hơn và chi phí tăng.

(3) Dưới nhiệt độ cao của quá trình graphit hóa ở 3000 ℃, tất cả các nguyên tố ngoại trừ nguyên tố C đều bị bay hơi và thải ra ngoài. Tuy nhiên, vẫn sẽ có một lượng nhỏ tạp chất trong quá trình làm mát bám vào bề mặt catot, bề mặt khuôn sẽ hình thành một lớp vỏ cứng thô, chứa nhiều tro và vật liệu bay hơi cao hình thành nhiều vật liệu vỏ cứng hơn. Việc chọn các tá dược có tro thấp và bay hơi thấp là dựa trên lý do này.

(4) Vật liệu vỏ cứng có sự khác biệt lớn trong chỉ số và hiệu suất vật liệu anot đủ tiêu chuẩn, nên khi lấy khuôn ra, cần phải đập bỏ 1~5 mm vật liệu vỏ cứng trước để lưu trữ và bảo quản riêng, vật liệu đủ tiêu chuẩn với bề mặt nhẵn sẽ được thu thập bình thường, cho vào túi tấn để bảo quản và giao cho khách hàng.