قطب جرافيت وفحم الكوك الإبري

تُعد عملية إنتاج المواد الكربونية نظامًا هندسيًا محكمًا، حيث لا يمكن فصل إنتاج أقطاب الجرافيت، والمواد الكربونية الخاصة، وكربون الألومنيوم، والمواد الكربونية المتطورة الجديدة عن استخدام المواد الخام، والمعدات، والتكنولوجيا، وإدارة عوامل الإنتاج الأربعة والتكنولوجيا الخاصة ذات الصلة.

تُعدّ المواد الخام عوامل أساسية تُحدد الخصائص الجوهرية للمواد الكربونية، كما أن أداء هذه المواد يُحدد أداء المواد الكربونية المُصنّعة. في إنتاج أقطاب الجرافيت فائقة الأداء (UHP) وعالية الأداء (HP)، يُعتبر فحم الكوك الإبري عالي الجودة الخيار الأول، إلى جانب الأسفلت عالي الجودة كمادة رابطة، والأسفلت المُشرب. مع ذلك، فإن الاعتماد على المواد الخام عالية الجودة فقط، دون توفر المعدات والتقنيات والإدارة اللازمة، بالإضافة إلى التقنيات الخاصة ذات الصلة، لا يكفي لإنتاج أقطاب جرافيت فائقة الأداء وعالية الأداء بجودة عالية.

تركز هذه المقالة على خصائص فحم الكوك عالي الجودة لعرض بعض الآراء الشخصية، وذلك لمصنعي فحم الكوك، ومصنعي الأقطاب الكهربائية، ومعاهد البحث العلمي لمناقشتها.

على الرغم من أن الإنتاج الصناعي لفحم الكوك الإبري في الصين تأخر عن نظيره في الشركات الأجنبية، إلا أنه شهد تطورًا سريعًا في السنوات الأخيرة وبدأ يتبلور. من حيث إجمالي حجم الإنتاج، يُمكنه تلبية الطلب على فحم الكوك الإبري اللازم لأقطاب الجرافيت فائقة الضغط وعالية الضغط التي تنتجها شركات الكربون المحلية. مع ذلك، لا تزال هناك فجوة في جودة فحم الكوك الإبري مقارنةً بالشركات الأجنبية. يؤثر تذبذب أداء الدفعات على الطلب على فحم الكوك الإبري عالي الجودة في إنتاج أقطاب الجرافيت فائقة الضغط وعالية الضغط كبيرة الحجم، لا سيما مع عدم وجود فحم كوك إبري عالي الجودة مُخصص للوصلات يُلبي متطلبات إنتاج وصلات أقطاب الجرافيت.

غالبًا ما تستخدم شركات الكربون الأجنبية، التي تنتج أقطاب جرافيت فائقة الضغط وعالية الضغط بمواصفات كبيرة، فحم الكوك الإبري البترولي عالي الجودة كمادة خام رئيسية. كما تستخدم شركات الكربون اليابانية فحم الكوك الإبري من سلسلة الفحم كمادة خام، ولكن فقط لإنتاج أقطاب جرافيت بقطر 600 مم أو أقل. في الوقت الحالي، يُعد فحم الكوك الإبري من سلسلة الفحم هو المصدر الرئيسي لفحم الكوك الإبري في الصين. ويعتمد إنتاج أقطاب الجرافيت فائقة الضغط وعالية الجودة على نطاق واسع من قبل شركات الكربون غالبًا على فحم الكوك الإبري البترولي المستورد، وخاصةً إنتاج أقطاب الجرافيت عالية الجودة باستخدام فحم الكوك الإبري من سلسلة سويشيما النفطية اليابانية المستوردة وفحم الكوك الإبري من سلسلة HSP النفطية البريطانية كمواد خام.

في الوقت الحالي، تتم مقارنة فحم الكوك الإبري المُنتَج من قِبَل مختلف الشركات عادةً بمؤشرات الأداء التجارية لفحم الكوك الإبري الأجنبي باستخدام مؤشرات الأداء التقليدية، مثل محتوى الرماد، والكثافة الحقيقية، ومحتوى الكبريت، ومحتوى النيتروجين، وتوزيع حجم الجسيمات، ومعامل التمدد الحراري، وما إلى ذلك. ومع ذلك، لا يزال هناك نقص في تصنيف درجات فحم الكوك الإبري المختلفة مقارنةً بالدول الأجنبية. لذلك، فإن إنتاج فحم الكوك الإبري، والذي يُشار إليه أيضًا بشكل عام بـ"السلع الموحدة"، لا يعكس جودة فحم الكوك الإبري الممتاز.

إضافةً إلى المقارنة التقليدية للأداء، ينبغي على شركات الكربون الاهتمام بخصائص فحم الكوك الإبري، مثل تصنيف معامل التمدد الحراري، وقوة الجسيمات، ودرجة التباين، وبيانات التمدد في حالتي التمدد والانكماش، ونطاق درجة الحرارة بينهما. ونظرًا لأهمية هذه الخصائص الحرارية لفحم الكوك الإبري في التحكم بعملية التغرافيت في إنتاج أقطاب الجرافيت، فلا يُستثنى بالطبع تأثير الخصائص الحرارية لفحم الكوك الأسفلتي المتكون بعد تحميص الأسفلت المستخدم كمادة رابطة ومادة تشريب.

1. مقارنة تباين الخواص في فحم الكوك الإبري

(أ) عينة: جسم قطب كهربائي فائق النقاء بقطر 500 مم من مصنع الكربون المحلي؛

مادة خام من فحم الكوك الإبري: شركة يابانية جديدة كيميائية من الدرجة LPC-U، النسبة: 100% من الدرجة LPC-U؛ التحليل: مصنع SGL Griesheim؛ مؤشرات الأداء موضحة في الجدول 1.

(ب) العينة: جسم قطب كهربائي بقطر 450 مم من مصنع كربون محلي؛ مادة خام من فحم الكوك الإبري: فحم الكوك الإبري الزيتي من مصنع محلي، النسبة: 100%؛ التحليل: مصنع شاندونغ بازان للكربون؛ تظهر مؤشرات الأداء في الجدول 2.

كما يتضح من مقارنة الجدولين 1 و2، يتميز فحم الكوك الإبري من نوع LPC-U، المستخدم في مساحيق الفحم الكيميائية اليومية الجديدة، بتفاوت كبير في الخواص الحرارية، حيث يصل تفاوت معامل التمدد الحراري إلى 3.61-4.55، كما أن تفاوت المقاومة الكهربائية كبير أيضاً، إذ يتراوح بين 2.06 و2.25. إضافةً إلى ذلك، فإن قوة الانحناء لفحم الكوك الإبري البترولي المحلي أفضل من قوة الانحناء لفحم الكوك الإبري المستخدم في مساحيق الفحم الكيميائية اليومية الجديدة من نوع LPC-U. كما أن قيمة التفاوت في الخواص الحرارية أقل بكثير من قيمة التفاوت في فحم الكوك الإبري المستخدم في مساحيق الفحم الكيميائية اليومية الجديدة من نوع LPC-U.

يُعد تحليل أداء درجة التباين في إنتاج أقطاب الجرافيت فائقة الطاقة طريقة تحليل مهمة لتقدير جودة المواد الخام من فحم الكوك الإبري، كما أن حجم درجة التباين له تأثير معين على عملية إنتاج الأقطاب، حيث أن درجة تباين الكهرباء ذات الأداء العالي للغاية في مقاومة الصدمات الحرارية أفضل من درجة تباين الطاقة المتوسطة للأقطاب الصغيرة.

في الوقت الراهن، يفوق إنتاج فحم الكوك الإبري من الفحم الحجري في الصين بكثير إنتاج فحم الكوك الإبري من البترول. ونظرًا لارتفاع تكلفة المواد الخام وأسعارها لدى شركات الكربون، يصعب استخدام فحم الكوك الإبري المحلي بنسبة 100% في إنتاج أقطاب الصهر عالية الضغط، مع إضافة نسبة معينة من فحم الكوك البترولي المحسوب ومسحوق الجرافيت. لذا، يصعب تقييم تباين الخواص في فحم الكوك الإبري المحلي.

2. الخصائص الخطية والحجمية لفحم الكوك الإبري

ينعكس أداء التغير الخطي والحجمي لفحم الكوك الإبري بشكل أساسي في عملية إنتاج الجرافيت بواسطة القطب الكهربائي. مع تغير درجة الحرارة، يخضع فحم الكوك الإبري لتمدد وانكماش خطي وحجمي أثناء عملية تسخين الجرافيت، مما يؤثر بشكل مباشر على التغير الخطي والحجمي لقطعة الجرافيت المحمصة في عملية الجرافيت. يختلف هذا الأمر باختلاف خصائص فحم الكوك الخام ودرجات فحم الكوك الإبري. علاوة على ذلك، يختلف نطاق درجة الحرارة للتغيرات الخطية والحجمية بين درجات فحم الكوك الإبري المختلفة وفحم الكوك البترولي المكلس. لا يمكننا التحكم الأمثل في إنتاج الجرافيت وتحسينه إلا من خلال إتقان هذه الخاصية لفحم الكوك الخام. ويتضح هذا جليًا في عملية التغرافيت المتسلسلة.

يُبين الجدول 3 التغيرات الخطية والحجمية ونطاقات درجات الحرارة لثلاثة أنواع من فحم الكوك الإبري البترولي المُنتَج من قِبَل شركة كونوكوفيليبس في المملكة المتحدة. يبدأ التمدد الخطي عند ارتفاع درجة حرارة فحم الكوك الإبري البترولي، إلا أن درجة الحرارة عند بداية الانكماش الخطي عادةً ما تتأخر عن درجة حرارة التكليس القصوى. يبدأ التمدد الخطي بين 1525 درجة مئوية و1725 درجة مئوية، ويكون نطاق درجة حرارة الانكماش الخطي الكلي ضيقًا، إذ يبلغ 200 درجة مئوية فقط. يكون نطاق درجة حرارة الانكماش الخطي الكلي لفحم الكوك البترولي العادي المُؤخَّر أكبر بكثير من نظيره في فحم الكوك الإبري، بينما يقع نطاق درجة حرارة فحم الكوك الإبري الفحمي بينهما، وهو أكبر قليلًا من نطاق درجة حرارة فحم الكوك الإبري البترولي. تُظهر نتائج اختبارات معهد أوساكا لاختبار التكنولوجيا الصناعية في اليابان أنه كلما كان الأداء الحراري لفحم الكوك أسوأ، زاد نطاق درجة حرارة انكماش الخط، ليصل إلى 500 ~ 600 درجة مئوية، وبداية انكماش الخط تكون منخفضة، حيث يبدأ انكماش الخط عند 1150 ~ 1200 درجة مئوية، وهي أيضًا من خصائص فحم الكوك البترولي المتأخر العادي.

كلما كانت الخصائص الحرارية لفحم الكوك الإبري أفضل، وزادت درجة تباينه، ضاق نطاق درجة حرارة الانكماش الخطي. بعض أنواع فحم الكوك الإبري الزيتي عالي الجودة لا يتجاوز نطاق درجة حرارة انكماشه الخطي 100-150 درجة مئوية. من المفيد جدًا لشركات الكربون توجيه عملية إنتاج الجرافيت بعد فهم خصائص التمدد والانكماش وإعادة التمدد الخطي لمختلف أنواع فحم الكوك الخام، مما يجنبها بعض المنتجات الرديئة غير المرغوب فيها الناتجة عن استخدام الأساليب التقليدية القائمة على التجربة.

3. الخاتمة

إن إتقان الخصائص المختلفة للمواد الخام، واختيار المعدات المناسبة، والتكامل الجيد للتكنولوجيا، وإدارة المؤسسة بشكل أكثر علمية ومعقولية، وسلسلة نظام العملية بأكملها التي يتم التحكم فيها بإحكام واستقرارها، يمكن القول إنها تمتلك الأساس لإنتاج أقطاب جرافيت عالية الجودة وعالية الطاقة.