Quy trình sản xuất vật liệu carbon là một hệ thống kỹ thuật được kiểm soát chặt chẽ, việc sản xuất điện cực than chì, vật liệu carbon đặc biệt, nhôm carbon, vật liệu carbon cao cấp mới không thể tách rời khỏi việc sử dụng nguyên vật liệu, thiết bị, công nghệ, quản lý – bốn yếu tố sản xuất và công nghệ độc quyền liên quan.
Nguyên liệu thô là yếu tố then chốt quyết định các đặc tính cơ bản của vật liệu carbon, và chất lượng của nguyên liệu thô quyết định hiệu suất của vật liệu carbon thành phẩm. Đối với sản xuất điện cực than chì siêu cao áp (UHP) và cao áp (HP), than cốc kim chất lượng cao là lựa chọn hàng đầu, cùng với nhựa đường kết dính và chất tẩm nhựa đường chất lượng cao. Tuy nhiên, chỉ có nguyên liệu thô chất lượng cao mà thiếu thiết bị, công nghệ, yếu tố quản lý và công nghệ độc quyền liên quan thì cũng không thể sản xuất được điện cực than chì UHP và HP chất lượng cao.
Bài viết này tập trung vào các đặc điểm của than cốc kim chất lượng cao để trình bày một số quan điểm cá nhân, nhằm mục đích thảo luận cho các nhà sản xuất than cốc kim, nhà sản xuất điện cực và các viện nghiên cứu khoa học.
Mặc dù sản xuất than cốc kim ở Trung Quốc diễn ra muộn hơn so với các doanh nghiệp nước ngoài, nhưng ngành này đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây và bắt đầu định hình. Về tổng sản lượng, về cơ bản nó có thể đáp ứng nhu cầu than cốc kim cho điện cực than chì siêu cao áp (UHP) và cao áp (HP) do các doanh nghiệp sản xuất carbon trong nước sản xuất. Tuy nhiên, chất lượng than cốc kim so với các doanh nghiệp nước ngoài vẫn còn một khoảng cách nhất định. Sự biến động về hiệu suất theo từng lô ảnh hưởng đến nhu cầu than cốc kim chất lượng cao trong sản xuất điện cực than chì UHP và HP kích thước lớn, đặc biệt là hiện chưa có loại than cốc kim chất lượng cao đáp ứng được nhu cầu sản xuất điện cực than chì dạng nối.
Các doanh nghiệp sản xuất than chì điện cực UHP, HP quy cách lớn nước ngoài thường chọn than cốc kim loại dầu mỏ chất lượng cao làm nguyên liệu chính. Các doanh nghiệp sản xuất than chì của Nhật Bản cũng sử dụng một số loại than cốc kim loại than đá làm nguyên liệu, nhưng chỉ dành cho sản xuất điện cực than chì có đường kính φ 600 mm trở xuống. Hiện nay, than cốc kim loại ở Trung Quốc chủ yếu là than cốc kim loại than đá. Việc sản xuất điện cực than chì UHP quy mô lớn chất lượng cao của các doanh nghiệp sản xuất than chì thường dựa vào than cốc kim loại dầu mỏ nhập khẩu, đặc biệt là sản xuất kết hợp với than cốc kim loại dầu mỏ Suishima của Nhật Bản và than cốc kim loại dầu mỏ HSP của Anh làm nguyên liệu.
Hiện nay, than cốc kim do các doanh nghiệp khác nhau sản xuất thường được so sánh với các chỉ số hiệu suất thương mại của than cốc kim nước ngoài bằng các chỉ số hiệu suất thông thường, chẳng hạn như hàm lượng tro, khối lượng riêng, hàm lượng lưu huỳnh, hàm lượng nitơ, phân bố kích thước hạt, hệ số giãn nở nhiệt, v.v. Tuy nhiên, vẫn còn thiếu sự phân loại than cốc kim theo các cấp độ khác nhau so với nước ngoài. Do đó, việc sản xuất than cốc kim một cách thông thường, hay còn gọi là “hàng hóa thống nhất”, không thể phản ánh được cấp độ của than cốc kim cao cấp chất lượng cao.
Ngoài việc so sánh hiệu suất thông thường, các doanh nghiệp sản xuất carbon cũng cần chú ý đến đặc tính của than cốc kim, chẳng hạn như phân loại hệ số giãn nở nhiệt (CTE), độ bền hạt, độ dị hướng, dữ liệu giãn nở ở trạng thái không bị ức chế và trạng thái bị ức chế, và phạm vi nhiệt độ giữa giãn nở và co lại. Bởi vì các đặc tính nhiệt này của than cốc kim rất quan trọng đối với việc kiểm soát quá trình graphit hóa trong quá trình sản xuất điện cực than chì, dĩ nhiên, ảnh hưởng của các đặc tính nhiệt của than cốc nhựa đường hình thành sau khi nung chất kết dính và chất tẩm nhựa đường là không thể loại trừ.
1. So sánh tính dị hướng của than cốc hình kim
Phân tích hiệu suất độ bất đẳng hướng trong sản xuất điện cực than chì công suất cực cao là một phương pháp phân tích quan trọng để đánh giá chất lượng nguyên liệu than cốc kim, kích thước của độ bất đẳng hướng tất nhiên cũng có ảnh hưởng nhất định đến quá trình sản xuất điện cực, độ bất đẳng hướng của điện cực có khả năng chịu sốc nhiệt cực cao tốt hơn so với điện cực có độ bất đẳng hướng trung bình của các điện cực công suất nhỏ.
Hiện nay, sản lượng than cốc kim loại ở Trung Quốc lớn hơn nhiều so với than cốc kim loại từ dầu mỏ. Do chi phí nguyên liệu và giá thành sản xuất carbon cao, việc sử dụng 100% than cốc kim loại trong nước để sản xuất điện cực siêu cao áp, đồng thời phải thêm một tỷ lệ nhất định than cốc dầu mỏ đã nung và bột than chì để sản xuất điện cực là rất khó khăn. Vì vậy, việc đánh giá tính dị hướng của than cốc kim loại trong nước gặp nhiều khó khăn.
2. Các đặc tính tuyến tính và thể tích của than cốc hình kim
Hiệu suất thay đổi tuyến tính và thể tích của than cốc kim chủ yếu được thể hiện trong quá trình sản xuất than chì bằng điện cực. Khi nhiệt độ thay đổi, than cốc kim sẽ trải qua quá trình giãn nở và co lại tuyến tính và thể tích trong quá trình nung nóng than chì, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến sự thay đổi tuyến tính và thể tích của phôi điện cực đã nung trong quá trình sản xuất than chì. Điều này không giống nhau đối với việc sử dụng các loại than cốc nguyên liệu có tính chất khác nhau, các loại than cốc kim khác nhau cũng có sự thay đổi khác nhau. Hơn nữa, phạm vi nhiệt độ thay đổi tuyến tính và thể tích của các loại than cốc kim khác nhau và than cốc dầu mỏ đã nung cũng khác nhau. Chỉ khi nắm vững đặc điểm này của than cốc nguyên liệu, chúng ta mới có thể kiểm soát và tối ưu hóa tốt hơn quá trình sản xuất chuỗi hóa học than chì. Điều này đặc biệt rõ ràng trong quá trình graphit hóa nối tiếp.
Sự giãn nở tuyến tính xảy ra đầu tiên khi than cốc kim dầu bắt đầu nóng lên, nhưng nhiệt độ khi bắt đầu co rút tuyến tính thường chậm hơn so với nhiệt độ nung tối đa. Từ 1525℃ đến 1725℃, sự giãn nở tuyến tính bắt đầu, và phạm vi nhiệt độ của toàn bộ quá trình co rút tuyến tính rất hẹp, chỉ 200℃. Phạm vi nhiệt độ của toàn bộ quá trình co rút tuyến tính của than cốc dầu mỏ nung chậm thông thường lớn hơn nhiều so với than cốc kim, và than cốc kim than đá nằm giữa hai loại này, lớn hơn một chút so với than cốc kim dầu. Kết quả thử nghiệm của Viện Kiểm nghiệm Công nghệ Công nghiệp Osaka ở Nhật Bản cho thấy rằng hiệu suất nhiệt của than cốc càng kém thì phạm vi nhiệt độ co rút tuyến tính càng lớn, lên đến 500 ~ 600℃, và nhiệt độ bắt đầu co rút tuyến tính thấp, ở 1150 ~ 1200℃ bắt đầu xảy ra hiện tượng co rút tuyến tính, đây cũng là đặc điểm của than cốc dầu mỏ nung chậm thông thường.
Tính chất nhiệt càng tốt và độ dị hướng càng cao của than cốc kim thì phạm vi nhiệt độ co ngót tuyến tính càng hẹp. Một số loại than cốc kim dầu chất lượng cao chỉ có phạm vi nhiệt độ co ngót tuyến tính từ 100 đến 150℃. Việc hiểu rõ đặc điểm giãn nở, co ngót và tái giãn nở tuyến tính của các loại than cốc nguyên liệu khác nhau rất có lợi cho các doanh nghiệp sản xuất than, giúp tránh được một số sản phẩm phế phẩm không cần thiết do sử dụng phương pháp kinh nghiệm truyền thống.
Thời gian đăng bài: 08/10/2021