عملية تصنيع الأقطاب الكهربائية الجرافيتية

1. المواد الخام
كوكاكولا (بنسبة 75-80% تقريباً)

فحم الكوك البترولي
يُعدّ فحم الكوك البترولي أهم المواد الخام، ويتشكل في نطاق واسع من البنى، بدءًا من فحم الكوك الإبري شديد التباين في الخواص وصولًا إلى فحم الكوك السائل شبه المتجانس. ونظرًا لبنيته، يُعدّ فحم الكوك الإبري شديد التباين في الخواص ضروريًا لتصنيع الأقطاب الكهربائية عالية الأداء المستخدمة في أفران القوس الكهربائي، حيث تتطلب هذه الأفران قدرة عالية جدًا على تحمل الأحمال الكهربائية والميكانيكية والحرارية. ويُنتج فحم الكوك البترولي بشكل شبه حصري من خلال عملية التكويك المتأخر، وهي عملية كربنة بطيئة ولطيفة لمخلفات تقطير النفط الخام.

يُعد فحم الكوك الإبري المصطلح الشائع الاستخدام لنوع خاص من فحم الكوك يتميز بقابلية عالية للغاية للتحول إلى جرافيت نتيجة للتوجه المتوازي القوي المفضل لبنية طبقاته المضطربة وشكل فيزيائي معين للحبوب.

المواد الرابطة (تشكل ما يقارب 20-25% من المحتوى)

قطران الفحم
تُستخدم عوامل الربط لتجميع الجزيئات الصلبة مع بعضها البعض. وبالتالي، فإن قدرتها العالية على التبلل تحول الخليط إلى حالة لدنة للتشكيل أو البثق اللاحق.

قطران الفحم مركب عضوي ذو بنية عطرية مميزة. وبفضل احتوائه على نسبة عالية من حلقات البنزين المستبدلة والمكثفة، فإنه يمتلك بنية شبكية سداسية مُشكّلة مسبقًا تشبه بنية الجرافيت، مما يُسهّل تكوين نطاقات جرافيتية منتظمة أثناء عملية التغرافيت. ويُعدّ القطران المادة الرابطة الأنسب، وهو من مخلفات تقطير قطران الفحم.

2. الخلط والبثق
يُخلط فحم الكوك المطحون مع قطران الفحم وبعض الإضافات لتكوين عجينة متجانسة. تُنقل هذه العجينة إلى أسطوانة البثق. في الخطوة الأولى، يُزال الهواء بالضغط المسبق. ثم تأتي خطوة البثق الفعلية حيث يُبثق الخليط لتشكيل قطب كهربائي بالقطر والطول المطلوبين. ولتمكين عملية الخلط، وخاصة عملية البثق (انظر الصورة على اليمين)، يجب أن يكون الخليط لزجًا. ويتحقق ذلك بالحفاظ عليه عند درجة حرارة مرتفعة تبلغ حوالي 120 درجة مئوية (حسب القطران) طوال عملية الإنتاج الأولية. يُعرف هذا الشكل الأساسي الأسطواني باسم "القطب الكهربائي الأولي".

3. الخبز
يُستخدم نوعان من أفران الخبز:

تُوضع القضبان المبثوقة هنا في علب أسطوانية من الفولاذ المقاوم للصدأ (صناديق التسخين). ولتجنب تشوه الأقطاب الكهربائية أثناء عملية التسخين، تُملأ صناديق التسخين بطبقة واقية من الرمل. تُحمّل صناديق التسخين على منصات عربات السكك الحديدية (قيعان العربات) وتُدحرج إلى أفران تعمل بالغاز الطبيعي.

فرن حلقي

تُوضع الأقطاب الكهربائية هنا في تجويف حجري مخفي في قاع قاعة الإنتاج. هذا التجويف جزء من نظام حلقي يضم أكثر من عشر حجرات. وترتبط هذه الحجرات بنظام تدوير هواء ساخن لتوفير الطاقة. كما تُملأ الفراغات بين الأقطاب بالرمل لمنع تشوهها. خلال عملية التسخين، حيث يتم تفحيم القار، يجب التحكم بدرجة الحرارة بدقة، لأنه عند درجات حرارة تصل إلى 800 درجة مئوية، قد يؤدي تراكم الغاز بسرعة إلى تشقق القطب.

في هذه المرحلة، تبلغ كثافة الأقطاب الكهربائية حوالي 1.55 - 1.60 كجم/ديسيمتر مكعب.

4. الإخصاب
يتم تشريب الأقطاب الكهربائية المخبوزة بمادة خاصة من القار (القار السائل عند 200 درجة مئوية) لمنحها الكثافة العالية والقوة الميكانيكية والتوصيل الكهربائي الذي ستحتاجه لتحمل ظروف التشغيل القاسية داخل الأفران.

5. إعادة الخبز
تتطلب عملية التسخين الثانية، أو "إعادة التسخين"، تحويل مادة تشريب القار إلى كربونات والتخلص من أي مواد متطايرة متبقية. تصل درجة حرارة إعادة التسخين إلى حوالي 750 درجة مئوية. في هذه المرحلة، يمكن أن تصل كثافة الأقطاب الكهربائية إلى حوالي 1.67 - 1.74 كجم/ديسيمتر مكعب.

6. التغرافيت
فرن أتشيسون
تتمثل الخطوة الأخيرة في تصنيع الجرافيت في تحويل الكربون المُسخّن إلى جرافيت، وتُسمى هذه العملية بالتغرافيت. خلال عملية التغرافيت، يتحول الكربون شبه المنتظم (الكربون المضطرب) إلى بنية جرافيت ثلاثية الأبعاد منتظمة.

تُعبأ الأقطاب الكهربائية في أفران كهربائية محاطة بجزيئات الكربون لتشكيل كتلة صلبة. يُمرر تيار كهربائي عبر الفرن، مما يرفع درجة الحرارة إلى حوالي 3000 درجة مئوية. تُنجز هذه العملية عادةً باستخدام فرن أتشيسون أو فرن طولي.

في فرن أتشيسون، يتم تحويل الأقطاب الكهربائية إلى جرافيت باستخدام عملية دفعية، بينما في فرن LWG يتم تحويل العمود بأكمله إلى جرافيت في نفس الوقت.

7. التشغيل الآلي
تُصنّع أقطاب الجرافيت (بعد التبريد) بدقة متناهية وفقًا لأبعادها وتفاوتاتها. وقد تشمل هذه المرحلة أيضًا تصنيع وتركيب أطراف (مآخذ) الأقطاب بنظام توصيل بدبابيس (حلمات) جرافيت ملولبة.