Производство углеграфитовой продукции ОАО "ЧЭМК"

Введение

Материалы на основе углерода занимают особое место в различных отраслях народного хозяйства благодаря сочетанию жаропрочности, механической прочности при высоких температурах, химической стойкости в агрессивных средах, фрикционным, антифрикционным, электрическим свойствам. Это единственные в природе вещества, способные увеличивать свою прочность с возрастанием температуры.
Углеграфитовая продукция, производимая предприятиями углеродной отрасли, используется в цветной и черной металлургии, атомной, машиностроительной, химической промышленности и в оборонном комплексе, т.е. стратегически важных отраслях, непосредственно связанных с национальной безопасностью, в том числе и обороноспособностью страны. Этим и обуславливается актуальность работы.
Сырьем для производства углеграфитовых материалов служат как искусственные твердые углеродные наполнители: кокс (каменноугольный, нековый, нефтяной, сланцевый), технический углерод (сажа), так и природные: графит, антрацит. В качестве связующих материалов используются: каменноугольный и нефтяной пеки, синтетические смолы. Твердые углеродистые материалы должны обладать высоким содержанием углерода. Можно сказать, что они создают в значительной степени углеродный скелет получаемых на их основе углеграфитовых материалов.
В качестве связующих в процессе обжига применяются материалы, которые превращаются в прочный кокс, придавая изделиям необходимую прочность и однородность. Это одна из важнейших функций связующих материалов. Вторая заключается в том, что связующее, обволакивая частицы твердого наполнителя, пластифицирует формуемую массу, т.е. делает возможным ее прессование. Качественные характеристики изделий, а также эффективность производства во многом зависят от того, насколько правильно выбран вид связующего.
Наилучшими связующими материалами являются продукты., получаемые при коксовании угля в виде смолы и пека. Особо следует отметить применение искусственных смол в качестве связующих для некоторых видов изделий, главным образом, электрощеток и химической аппаратуры.
Целью нашей работы является рассмотрение производства углеграфитовой продукции ОАО «ЧЭМК».
Объектом нашей работы является ОАО «ЧЭМК».
Предметом нашей работы является производство углеграфитовой продукции на ОАО «ЧЭМК».
Задачи работы:
1. Изучить научно-методическую литературу по рассматриваемой теме.
2. Предоставить общую характеристику производственного процесса углеграфитовой продукции.
3. Проанализировать процесс производства углеграфитовой продукции на ОАО «ЧЭМК».
Данной темой интересовались следующие ученые, которые публиковали и книги, и статьи, и диссертации по теме производства углеграфитовой продукции: Васильева В.Д., Малахов С.А., Савин М.М., Фиалков А.С., Чалых Е.Ф., Янко Э.А. и другие.
Практическая ценность данной работы заключается в том, что в ней даны рекомендации по выбору правильного типа обжига в печи, которая поможет модернизировать производство.


1. Общая характеристика производственного процесса углеграфитовой продукции
Процесс производства углеграфитовой продукции состоит из нескольких технологических операций, среди которых обжиг занимает особое место. Обжиг определяет качество и эксплуатационные свойства углеграфитовой продукции и является самой длительной технологической операцией (продолжительность нагрева и охлаждения при обжиге составляет от 17 до 30 суток). [1]
Главным процессом при обжига «зеленых» заготовок является формирование цементирующей коксовой решетки из связующего. При этом происходит термическая деструкция связующего, образование из него полукокса и последующее превращение его в кокс. Полученный в результате спекания материал представляет собой агломерат углеродистых частиц, скрепленных коксом связующего. Это новое сочетание обеспечивает такие ценные свойства как: прочность, термическая и химическая стойкость, высокая электропроводность. [2, с. 56]
Механизм процесса обжига можно представить как последовательно- параллельное протекание следующих физико-химических стадий: [2, с. 61]
- нагревание, в результате которого происходит размягчение связующих веществ;
- дистилляция легколетучих компонентов;
- пирогенное разложение органических веществ;
- разложение летучих веществ на горячих поверхностях, с выделением «ретортного угля» и газов;
- спекание;
- термическое старение кокса;
- усадка и охлаждение.
В ряде работ, посвященных разработке оптимальной технологии обжига, определены условия протекания процессов, а также зависимости изменения свойств электродных заготовок в процессе обжига от температуры в теле заготовок. Обжиг углеграфитовых изделий в России осуществляется в многокамерных кольцевых печах закрытого типа. «Зеленые» заготовки, загружаемые в камеры, подвергаются температурной обработке в течение ~ 400 часового цикла.
При нагреве заготовок, спрессованных из твердого наполнителя (нефтяного, пекового коксов, термоантрацита) и связующего (каменноугольного пека), происходит выделение летучих веществ из связующего, образование полукокса, а затем кокса, связывающего зерна наполнителя. В процессе усадки полукокса формируется структура и материал приобретает требуемые свойства. Максимальная температура обжига составляет 1000–1250о С. График обжига имеет дифференцированный характер, минимальные скорости нагрева 1–2о С/час должны обеспечиваться в интервале температур газовыделения и усадки заготовок 200–600о С. [3, с. 81]
На качество обожженных заготовок большое влияние оказывает равно- мерность нагрева в объеме камер печей обжига. Возникающие при обжиге перепады температур приводят к снижению механической прочности и теплопроводности, увеличивается трещиноватость и удельное электросопротивление, снижается эксплуатационная стойкость углеграфитовой продукции. Не менее важное значение имеет охлаждение обожженных заготовок. Высокие скорости охлаждения приводят к трещинообразованию, повышению уровня брака и снижению качества продукции. После проведения обжига углеродные материалы становятся устойчивыми к механическим и химическим воздействиям, увеличивается их теплопроводность, электропроводность и термическая стойкость.
Процесс обжига являются источником загрязнения окружающей среды канцерогенным 3,4 бенз(а)пиреном, который содержится в смолистых летучих веществах, выделяющихся при обжиге в процессе коксования связующего. В мировой практике для обжига спрессованных углеродных заготовок используются печи различной конструкции: с выкатным подом и туннельные, многокамерные печи Ридгаммера закрытого и открытого типа.
Печи обжига должны обеспечивать: [7, с. 443]
- оптимальное равномерное распределение температуры в камерах;
- максимально низкий расход теплоносителя;
- минимальные операционные и эксплуатационные расходы;
- стабильно высокое качество обжигаемой продукции;
- высокую производительность и экологическую безопасность.
Основными недостатками первых двух типов обжиговых печей для производства углеграфитовой продукции (туннельных и с выкатным подом) являются ограниченный ассортимент обжигаемой продукции, низкая производительность (табл

. 1).
Таблица 1. Сравнительная характеристика печей для обжига углеграфитовой продукции

В туннельных печах отсутствует возможность обжига крупногабаритных углеграфитовых изделий, таких как подовые, анодные блоки, угольные электроды, печи имеют неравномерное температурное поле, высокий расход природного газа. Печи с выкатным подом, в основном, используются для обжига графитированных электродов крупных сечений и пропитанных заготовок. Печи с выкатным подом отличаются равномерным температурным полем, низким расходом газа, но имеют низкую производительность (табл. 1). [3, с. 84]
Обжиговые многокамерные печи Ридгаммера открытого и закрытого типа наиболее широко используются в мире для обжига углеграфитовой продукции. В России в основном используются многокамерные обжиговые печи закрытого типа (рисунок 1).

Рисунок 1 - Многокамерная печь Ридгаммера закрытого типа
Это универсальные, высокопроизводительные печи, в которых можно обжигать все виды углеродной продукции. Однако обжиговые печи закрытого типа имеют очень существенные недостатки – неравномерное температурное поле в объеме камер, высокий расход природного газа для отопления печи. В печах закрытого типа часть летучих веществ, содержащих смолистые канцерогенные углеводороды, не сгорают в печи, направляются на очистку в электрофильтры и частично выбрасываются в атмосферу, загрязняя окружающую среду.
Многокамерные печи Ридгаммера открытого типа (рисунок 2) в отличие от печей закрытого типа отличаются равномерным температурным полем, низким расходом отопительного газа, высокой температурой обжига и высокой производительностью. Эти печи универсальны и могут использоваться для обжига всех видов углеродной продукции. Поэтому многокамерной печи обжига открытого типа становятся все более и более актуальными. [3, с. 85]

Рисунок 2 - Многокамерная печь Ридгаммера открытого типа
Печь обжига открытого типа является наиболее эффективной и экологически безопасной печью. Применение специальной программы управления процессом обжига обеспечивает полное эффективное сжигание летучих веществ, снижение расхода топлива, равномерное температурное поле, а следовательно, гарантированное качество углеграфитовой продукции. Равномерный нагрев при обжиге позволяет значительно сократить продолжительность графика обжига, увеличить производительность печи и сократить операционные и эксплуатационные расходы.
Многокамерная кольцевая печь Ридгаммера открытого типа состоит из 36 и более камер, расположенных в 2 ряда и соединенных между собой переходными каналами для последовательного прохождения потоков газа из одной камеры в другую . Печь устанавливается в корпусе из железобетонных блоков. Стенки камер, греющих простенков и подины выкладываются из муллитокремнеземистых и шамотных огнеупорных изделий. Теплоизоляционный слой стенок камер и подины состоит из легковесных шамотных изделий и специальных теплоизоляционных материалов. [1]
Для выполнения кирпичной кладки используется огнеупорный цементный раствор. Огнеупорные материалы, применяемые для кладки печи должны быть устойчивы к термическим и химическим воздействиям.
Эффективная работа печи обеспечивается благодаря хорошей тепло- изоляции и герметизации печи. Герметизация печи обеспечивает создание требуемого аэродинамического режима работы печи и позволяет точно выдерживать заданный режим обжига и максимальную температуру обжи- га, которая составляет 12000 С в газовой фазе и не менее 11000 С в загрузке камеры. Теплоизоляция печи обеспечивает минимальные потери тепла в окружающую атмосферу и высокий тепловой КПД печи. Каждая камера печи разделена на несколько кассет (от 4 до 9 штук) и греющих простенков, количество которых на единицу больше количества кассет в камере.
В стенах греющих простенков имеются щели для эвакуации летучих веществ из кассеты в простенок. Продукция загружается в кассеты камер и засыпается пересыпкой для защиты от окисления, сохранения формы заготовок и передачи тепла от теплоносителя к заготовкам. Система отопления состоит из специальных температурных мостов с газовыми горелками, которые устанавливаются в лючки греющих простенков. Для создания равномерного температурного поля по высоте кассет, греющие простенки снабжены перегородками. [4, с. 117]
Зигзагообразное движение продуктов горения газа в простенке обеспечивает существенное снижение перепада температур по сравнению с печами закрытого типа. В печах открытого и закрытого типа Ридгаммера в отличие от туннельных печей заготовки, загруженные в кассеты камер остаются неподвижными во время обжига, а температурная зона огня перемещается путем перестановки рамп с горелками. Газ сжигается в горелках установленных в лючки греющих простенков трех камер системы огня, остальные 3 камеры находятся на подогреве отходящими газами (продуктами горения газа и летучих веществ).
На охлаждении находятся 7–8 камер. Последняя на подогреве камера с помощью отсасывающей трубы (элефанта) соединена с дымоходом, по которому дымовые газы отводятся из печи и поступают на очистку от смолистых летучих веществ в специальные электрофильтры. Удаление дымовых газов и создание разрежения в камерах обжиговой печи производится с помощью дымососа, установленного перед дымовой трубой. На печи открытого типа предусмотрено принудительное охлаждение, прошедших обжиг заготовок, с помощью воздуходувных труб. [7, с. 358]
Контроль процесса обжига осуществляется по термопарам, установленным в лючках греющих простенков и в пересыпке кассет камер, а также по датчикам разрежения, установленным на пятой камере системы огня. Применение современных газогорелочных устройств позволяет автоматизировать процесс ведения температурного режима обжига. В систему автоматического управления входят шкафы управления температурными мостами, отсасывающими трубами, вакуумными мостами и воздуходувками.
Сравнительный анализ тепловых балансов обжиговых печей открытого и закрытого типа приведен в таблицах 2, 3.
Таблица 2. Приход тепла на печах обжига открытого и закрытого типа

Большое количество тепла поступает также с воздухом, проходящим через камеры охлаждения для горения газа. По данным таблицы 2 видно, что в печах закрытого типа максимальная часть тепла поступает от сгорания топлива. В печах открытого типа, по сравнению с печами закрытого типа максимальная часть тепла поступает от горения в греющих простенках камер смолистых летучих веществ. Более полное и эффективное сжигание смолистых летучих веществ приводит к снижению расхода топлива в печах открытого типа и уменьшению вредных выбросов в атмосферу. Тепло не сгоревших летучих веществ в печах закрытого типа значительно выше и составляет 9,8 %, по сравнению с 0,1 % для печи открытого типа (табл