1. المواد الخام
كوكاكولا (حوالي 75-80٪ في المحتوى)
فحم البترول
يُعدّ فحم البترول أهم مادة خام، ويُشكّل بمجموعة واسعة من التراكيب، بدءًا من فحم الإبرة شديد التباين الخواص وصولًا إلى فحم الكوك السائل شبه المتساوي الخواص. يُعدّ فحم الإبرة شديد التباين الخواص، بفضل تركيبه، ضروريًا لتصنيع الأقطاب الكهربائية عالية الأداء المستخدمة في أفران القوس الكهربائي، حيث تتطلب قدرة تحمل عالية جدًا للحمل الكهربائي والميكانيكي والحراري. يُنتَج فحم البترول بشكل شبه حصري من خلال عملية التفحيم المتأخر، وهي عملية كربنة بطيئة وخفيفة لمخلفات تقطير النفط الخام.
فحم الإبرة هو المصطلح المستخدم بشكل شائع لنوع خاص من فحم الكوك ذو قابلية عالية للغاية للتحويل إلى جرافيت نتيجة للتوجيه الموازي المفضل القوي لبنية طبقة التربوستراتيك والشكل الفيزيائي الخاص للحبوب.
المواد الرابطة (حوالي 20-25% من المحتوى)
قطران الفحم
تُستخدم عوامل الربط لتكتل الجسيمات الصلبة مع بعضها البعض. وبفضل قدرتها العالية على الترطيب، تُحوّل هذه العوامل الخليط إلى حالة لدنة تُسهّل عملية التشكيل أو البثق لاحقًا.
قار قطران الفحم مركب عضوي ذو بنية عطرية مميزة. ونظرًا لاحتوائه على نسبة عالية من حلقات البنزين المستبدلة والمكثفة، فإنه يمتلك بنية شبكية سداسية الشكل مميزة للجرافيت، مما يُسهّل تكوين نطاقات غرافيتية منظمة جيدًا أثناء عملية الجرافيت. ويُعدّ القار المادة الرابطة الأكثر فائدة، وهو بقايا تقطير قطران الفحم.
2. الخلط والبثق
يُخلط فحم الكوك المطحون مع قار الفحم وبعض المواد المضافة لتشكيل عجينة متجانسة. يُنقل هذا إلى أسطوانة البثق. في الخطوة الأولى، يجب إزالة الهواء بالضغط المسبق. ثم تأتي خطوة البثق الفعلية، حيث يُبثق الخليط لتشكيل قطب كهربائي بالقطر والطول المطلوبين. لتمكين عملية الخلط، وخاصةً عملية البثق (انظر الصورة على اليمين)، يجب أن يكون الخليط لزجًا. ويتحقق ذلك بإبقائه عند درجة حرارة مرتفعة تبلغ حوالي 120 درجة مئوية (حسب قار الفحم) طوال عملية الإنتاج الأخضر. يُعرف هذا الشكل الأساسي الأسطواني باسم "القطب الكهربائي الأخضر".
3. الخبز
هناك نوعان من أفران الخبز قيد الاستخدام:
هنا، تُوضع القضبان المبثوقة في عبوات أسطوانية من الفولاذ المقاوم للصدأ (ساجرز). ولمنع تشوه الأقطاب الكهربائية أثناء عملية التسخين، تُملأ هذه العبوات أيضًا بطبقة واقية من الرمل. تُحمّل العبوات على منصات عربات السكك الحديدية (أسفل العربات) وتُدحرج إلى أفران تعمل بالغاز الطبيعي.
فرن حلقي
هنا، تُوضع الأقطاب الكهربائية في تجويف حجري مخفي أسفل قاعة الإنتاج. هذا التجويف جزء من نظام حلقي يتكون من أكثر من عشر حجرات. تتصل هذه الحجرات ببعضها البعض بنظام تدوير هواء ساخن لتوفير الطاقة. كما تُملأ الفراغات بين الأقطاب الكهربائية بالرمل لمنع التشوه. أثناء عملية الخبز، حيث يُكربن القار، يجب التحكم في درجة الحرارة بعناية، لأن التراكم السريع للغاز عند درجات حرارة تصل إلى 800 درجة مئوية قد يُسبب تشقق القطب الكهربائي.
في هذه المرحلة تكون كثافة الأقطاب الكهربائية حوالي 1,55 – 1,60 كجم/دسم3.
4. التشريب
يتم تشريب الأقطاب الكهربائية المخبوزة بطبقة خاصة (طبقة سائلة عند 200 درجة مئوية) لمنحها الكثافة العالية والقوة الميكانيكية والتوصيل الكهربائي الذي ستحتاجه لتحمل ظروف التشغيل القاسية داخل الأفران.
5. إعادة الخبز
يلزم إجراء دورة خبز ثانية، أو "إعادة خبز"، لتفحم تشريب القار وإزالة أي مواد متطايرة متبقية. تصل درجة حرارة إعادة الخبز إلى حوالي 750 درجة مئوية. في هذه المرحلة، يمكن أن تصل كثافة الأقطاب الكهربائية إلى حوالي 1.67 - 1.74 كجم/دسم3.
6. الجرافيت
فرن أتشيسون
الخطوة الأخيرة في تصنيع الجرافيت هي تحويل الكربون المخبوز إلى جرافيت، وتُسمى عملية الجرافيت. خلال عملية الجرافيت، يُحوّل الكربون المُرتّب مسبقًا (الكربون التربوستراتي) إلى بنية جرافيت مُرتّبة ثلاثية الأبعاد.
تُعبأ الأقطاب الكهربائية في أفران كهربائية محاطة بجزيئات الكربون لتكوين كتلة صلبة. يمر تيار كهربائي عبر الفرن، مما يرفع درجة الحرارة إلى حوالي 3000 درجة مئوية. تُنجز هذه العملية عادةً باستخدام فرن أتشيسون أو فرن طولي (LWG).
في فرن Acheson، يتم تحويل الأقطاب الكهربائية إلى جرافيت باستخدام عملية دفعات، بينما في فرن LWG يتم تحويل العمود بأكمله إلى جرافيت في نفس الوقت.
7. التصنيع
تُشَكَّل أقطاب الجرافيت (بعد التبريد) وفقًا لأبعاد وتفاوتات دقيقة. قد تشمل هذه المرحلة أيضًا تشغيل وتجهيز أطراف الأقطاب (مقابسها) بنظام توصيل دبوس (حلمة) جرافيت ملولب.
وقت النشر: ٨ أبريل ٢٠٢١