อิเล็กโทรดกราไฟต์และถ่านโค้กเข็ม

กระบวนการผลิตวัสดุคาร์บอนเป็นระบบวิศวกรรมที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด การผลิตอิเล็กโทรดกราไฟต์ วัสดุคาร์บอนพิเศษ คาร์บอนอะลูมิเนียม และวัสดุคาร์บอนระดับสูงรุ่นใหม่นั้นแยกไม่ออกจากการใช้วัตถุดิบ อุปกรณ์ เทคโนโลยี การจัดการ ซึ่งเป็นปัจจัยการผลิตสี่ประการและเทคโนโลยีที่เป็นกรรมสิทธิ์ที่เกี่ยวข้อง

วัตถุดิบเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดคุณลักษณะพื้นฐานของวัสดุคาร์บอน และประสิทธิภาพของวัตถุดิบก็เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของวัสดุคาร์บอนที่ผลิตได้ สำหรับการผลิตอิเล็กโทรดกราไฟต์ UHP และ HP นั้น ถ่านโค้กคุณภาพสูงเป็นตัวเลือกอันดับแรก แต่ก็ต้องใช้แอสฟัลต์ที่เป็นสารยึดเกาะและสารเคลือบคุณภาพสูงด้วยเช่นกัน แต่หากขาดเพียงวัตถุดิบคุณภาพสูง อุปกรณ์ เทคโนโลยี ปัจจัยด้านการจัดการ และเทคโนโลยีเฉพาะทางที่เกี่ยวข้อง ก็ไม่สามารถผลิตอิเล็กโทรดกราไฟต์ UHP และ HP คุณภาพสูงได้

บทความนี้มุ่งเน้นไปที่ลักษณะเฉพาะของถ่านโค้กสำหรับเข็มคุณภาพสูง เพื่ออธิบายมุมมองส่วนตัวบางประการ สำหรับผู้ผลิตถ่านโค้กสำหรับเข็ม ผู้ผลิตอิเล็กโทรด และสถาบันวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เพื่อนำไปอภิปราย

แม้ว่าการผลิตเข็มโค้กในเชิงอุตสาหกรรมในประเทศจีนจะล้าหลังกว่าของต่างประเทศ แต่ก็มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาและเริ่มเป็นรูปเป็นร่างมากขึ้น ในแง่ของปริมาณการผลิตโดยรวม สามารถตอบสนองความต้องการเข็มโค้กสำหรับอิเล็กโทรดกราไฟต์ UHP และ HP ที่ผลิตโดยวิสาหกิจคาร์บอนในประเทศได้เป็นอย่างดี อย่างไรก็ตาม คุณภาพของเข็มโค้กยังคงมีช่องว่างอยู่บ้างเมื่อเทียบกับต่างประเทศ ความผันผวนของประสิทธิภาพในแต่ละล็อตส่งผลกระทบต่อความต้องการเข็มโค้กคุณภาพสูงในการผลิตอิเล็กโทรดกราไฟต์ UHP และ HP ขนาดใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งยังไม่มีเข็มโค้กคุณภาพสูงที่สามารถตอบสนองความต้องการในการผลิตข้อต่ออิเล็กโทรดกราไฟต์ได้

บริษัทผู้ผลิตถ่านคาร์บอนจากต่างประเทศที่ผลิตอิเล็กโทรดกราไฟต์ UHP และ HP ขนาดใหญ่ มักเลือกใช้ถ่านโค้กปิโตรเลียมคุณภาพสูงเป็นวัตถุดิบหลัก ในขณะที่บริษัทผู้ผลิตถ่านคาร์บอนในญี่ปุ่นก็ใช้ถ่านโค้กถ่านหินบางชนิดเป็นวัตถุดิบเช่นกัน แต่ใช้เฉพาะกับการผลิตอิเล็กโทรดกราไฟต์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 600 มม. เท่านั้น ปัจจุบัน ถ่านโค้กในประเทศจีนส่วนใหญ่เป็นถ่านโค้กถ่านหิน การผลิตอิเล็กโทรดกราไฟต์ UHP คุณภาพสูงขนาดใหญ่โดยบริษัทผู้ผลิตถ่านคาร์บอนมักพึ่งพาถ่านโค้กปิโตรเลียมที่นำเข้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งการผลิตอิเล็กโทรดคุณภาพสูงที่ใช้ถ่านโค้กน้ำมัน Suishima จากญี่ปุ่นและถ่านโค้กน้ำมัน HSP จากอังกฤษเป็นวัตถุดิบหลัก

ในปัจจุบัน เข็มโค้กที่ผลิตโดยสถานประกอบการต่างๆ มักถูกเปรียบเทียบกับดัชนีประสิทธิภาพเชิงพาณิชย์ของเข็มโค้กจากต่างประเทศ โดยใช้ดัชนีประสิทธิภาพแบบดั้งเดิม เช่น ปริมาณเถ้า ความหนาแน่นจริง ปริมาณกำมะถัน ปริมาณไนโตรเจน การกระจายขนาดอนุภาค ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน เป็นต้น อย่างไรก็ตาม ยังขาดการจำแนกเกรดของเข็มโค้กที่แตกต่างกันเมื่อเทียบกับต่างประเทศ ดังนั้น การผลิตเข็มโค้กจึงถูกเรียกโดยทั่วไปว่าเป็น “สินค้ามาตรฐาน” ซึ่งไม่สามารถสะท้อนถึงเกรดของเข็มโค้กคุณภาพสูงระดับพรีเมียมได้

นอกเหนือจากการเปรียบเทียบประสิทธิภาพแบบดั้งเดิมแล้ว บริษัทผู้ผลิตคาร์บอนควรให้ความสนใจกับลักษณะเฉพาะของถ่านโค้กเข็มด้วย เช่น การจำแนกประเภทสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ความแข็งแรงของอนุภาค ระดับความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ข้อมูลการขยายตัวในสภาวะที่ไม่ถูกยับยั้งและสภาวะที่ถูกยับยั้ง และช่วงอุณหภูมิระหว่างการขยายตัวและการหดตัว เนื่องจากคุณสมบัติทางความร้อนเหล่านี้ของถ่านโค้กเข็มมีความสำคัญมากต่อการควบคุมกระบวนการกราไฟต์ในกระบวนการผลิตอิเล็กโทรดกราไฟต์ แน่นอนว่าอิทธิพลของคุณสมบัติทางความร้อนของถ่านโค้กแอสฟัลต์ที่เกิดขึ้นหลังจากการเผาแอสฟัลต์ที่เป็นสารยึดเกาะและสารเคลือบก็ไม่สามารถละเลยได้เช่นกัน

1. การเปรียบเทียบความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของถ่านโค้กเข็ม

การวิเคราะห์ประสิทธิภาพระดับความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในการผลิตอิเล็กโทรดกราไฟต์กำลังสูงพิเศษ เป็นวิธีการวิเคราะห์ที่สำคัญในการประเมินคุณภาพของวัตถุดิบถ่านโค้กแบบเข็มหรือไม่ ขนาดของระดับความไม่เป็นเนื้อเดียวกันนั้น แน่นอนว่ามีอิทธิพลต่อกระบวนการผลิตอิเล็กโทรดด้วย ระดับความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของอิเล็กโทรดไฟฟ้าที่มีกำลังสูงมาก จะมีประสิทธิภาพในการทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ดีกว่าระดับความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของอิเล็กโทรดกำลังต่ำทั่วไป

ปัจจุบัน การผลิตถ่านโค้กชนิดเข็มในประเทศจีนมีปริมาณมากกว่าการผลิตถ่านโค้กชนิดเข็มจากปิโตรเลียมมาก เนื่องจากต้นทุนวัตถุดิบและราคาของบริษัทผู้ผลิตคาร์บอนสูง จึงเป็นเรื่องยากที่จะใช้ถ่านโค้กชนิดเข็มที่ผลิตในประเทศ 100% ในการผลิตอิเล็กโทรด UHP ในขณะที่ต้องเติมถ่านโค้กปิโตรเลียมที่คำนวณแล้วและผงกราไฟต์ในสัดส่วนที่กำหนดเพื่อผลิตอิเล็กโทรด ดังนั้นจึงเป็นการยากที่จะประเมินคุณสมบัติแอนไอโซโทรปีของถ่านโค้กชนิดเข็มที่ผลิตในประเทศ

2. คุณสมบัติเชิงเส้นและเชิงปริมาตรของถ่านโค้กเข็ม

ลักษณะการเปลี่ยนแปลงเชิงเส้นและปริมาตรของเข็มโค้กนั้นสะท้อนให้เห็นอย่างชัดเจนในกระบวนการผลิตกราไฟต์โดยใช้ขั้วไฟฟ้า เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เข็มโค้กจะเกิดการขยายตัวและหดตัวทั้งเชิงเส้นและปริมาตรในระหว่างกระบวนการให้ความร้อนของกระบวนการผลิตกราไฟต์ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อการเปลี่ยนแปลงเชิงเส้นและปริมาตรของแท่งโลหะที่ผ่านการเผาในกระบวนการผลิตกราไฟต์ การเปลี่ยนแปลงนี้จะไม่เหมือนกันหากใช้โค้กดิบที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันและเข็มโค้กเกรดต่างกัน ยิ่งไปกว่านั้น ช่วงอุณหภูมิของการเปลี่ยนแปลงเชิงเส้นและปริมาตรของเข็มโค้กเกรดต่างๆ และโค้กปิโตรเลียมเผาก็แตกต่างกันด้วย การควบคุมและเพิ่มประสิทธิภาพลำดับขั้นตอนทางเคมีของการผลิตกราไฟต์ให้ดียิ่งขึ้นนั้น ต้องอาศัยความเข้าใจในลักษณะเฉพาะของโค้กดิบนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการกราไฟต์แบบอนุกรม

การขยายตัวเชิงเส้นเกิดขึ้นก่อนเมื่อโค้กเข็มน้ำมันเริ่มร้อนขึ้น แต่โดยปกติแล้วอุณหภูมิในช่วงเริ่มต้นของการหดตัวเชิงเส้นจะต่ำกว่าอุณหภูมิการเผาสูงสุด การขยายตัวเชิงเส้นเริ่มขึ้นในช่วงอุณหภูมิ 1525℃ ถึง 1725℃ และช่วงอุณหภูมิของการหดตัวเชิงเส้นทั้งหมดนั้นแคบมาก เพียง 200℃ เท่านั้น ในขณะที่ช่วงอุณหภูมิของการหดตัวเชิงเส้นทั้งหมดของโค้กปิโตรเลียมแบบหน่วงเวลาทั่วไปนั้นกว้างกว่าโค้กเข็มมาก และโค้กเข็มถ่านหินอยู่ระหว่างสองชนิดนี้ โดยกว้างกว่าโค้กเข็มน้ำมันเล็กน้อย ผลการทดสอบของสถาบันทดสอบเทคโนโลยีอุตสาหกรรมโอซาก้าในประเทศญี่ปุ่นแสดงให้เห็นว่า ยิ่งประสิทธิภาพทางความร้อนของโค้กแย่ลงเท่าใด ช่วงอุณหภูมิการหดตัวเชิงเส้นก็จะยิ่งกว้างขึ้นเท่านั้น โดยอาจสูงถึง 500 ~ 600℃ และอุณหภูมิเริ่มต้นของการหดตัวเชิงเส้นจะต่ำ โดยเริ่มเกิดการหดตัวเชิงเส้นที่ 1150 ~ 1200℃ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของโค้กปิโตรเลียมแบบหน่วงเวลาทั่วไปเช่นกัน

ยิ่งคุณสมบัติทางความร้อนดีและยิ่งมีความไม่สม่ำเสมอในทิศทางต่างๆ มากเท่าไร ช่วงอุณหภูมิของการหดตัวเชิงเส้นก็จะยิ่งแคบลงเท่านั้น ถ่านโค้กคุณภาพสูงบางชนิดมีช่วงอุณหภูมิการหดตัวเชิงเส้นเพียง 100-150 องศาเซลเซียสเท่านั้น การทำความเข้าใจลักษณะการขยายตัว การหดตัว และการขยายตัวซ้ำของวัตถุดิบถ่านโค้กชนิดต่างๆ จะเป็นประโยชน์อย่างมากต่อบริษัทผู้ผลิตถ่านโค้กในการชี้นำกระบวนการผลิตกราไฟต์ ซึ่งจะช่วยหลีกเลี่ยงของเสียที่มีคุณภาพโดยไม่จำเป็นซึ่งเกิดจากการใช้กรรมวิธีแบบเดิมที่อาศัยประสบการณ์