3 つの高黒鉛の製造についての簡単な紹介

特殊グラファイトは広範囲をカバーします。エレクトロカーボン製品業界、天然黒鉛製品業界、冶金炭素製品業界では、異なる理解と分類方法があります。冶金用炭素製品業界の慣例的な分類と解釈によれば、特殊黒鉛とは主に高強度、高密度、高純度の黒鉛製品（「三高黒鉛」と呼ばれます）を指します。

高純度黒鉛の製造方法は、製品が等方性黒鉛か異方性黒鉛かによって異なります。プロセスは 3 つのタイプに分類できます。スリーハイグラファイトの製造とグラファイト電極の製造の類似点と主要な技術的問題は、次のように簡単に紹介されます。

原材料の選択

低灰分または高純度の黒鉛を製造するには、まず不純物の少ない石油コークスを選択する必要があります。ほとんどの不純物は黒鉛化プロセス中に摂氏 2600 ～ 3000 度で除去できますが、原材料の選択は依然として重要な要素です。一般に、石油コークスの灰分は 0.1% 未満、コールタールアスファルトの灰分は 0.3% 未満であることが要求されます。

粉砕、選別および成分

細粒構造のスリーハイグラファイトの製造には、ほとんどが -0.075mm の粉末を使用しますが、一部のものは -0.042mm または -0.037mm の粉末を使用します。超微細黒鉛を製造する場合、その粉末の粒径は0.02mm以下であるため、か焼コークスは気流ミルなどの粉砕装置を使用して超微粒子を製造することが困難です。微粒子の分別は難しく、分別には特殊な技術が必要です。押出製品のコークス粒径は製品の断面積に直接比例します。断面積が大きいほど、より多くの大きな粒子が必要になります。コークスの最大粒径は、成形時の製品の断面積とはほとんど関係がありません。配合割合は一般に製造秘密とされていますが、その決定は主に経験に基づいており、常に見直しが行われています。たとえ粒状材料の割合が同じであっても、成形方法が異なると結合剤の割合が異なります。生産実践を通じて、品質指標の確保と歩留まりの向上の間で最適な組み合わせポイントが選択されます。

混練・成形

捏ねる

一般的に混合・混練には2軸ミキシングポットが使用されます。加圧混練機を使用する場合もあります。より微細な粉末を使用して製品を製造する場合、ペーストをよく混ぜるのは容易ではありません。加圧混練は混合の品質を向上させるのに有益です。

形にする

スリーハイグラファイトの製造方法には、押出成形、ダイプレス成形、静水圧プレス成形の3つの成形方法があり（図2）、それぞれに長所と短所があります。押出成形は生産効率が高いですが、完成品の異方性が高くなります。成形品の生産効率が低く、細粒黒​​鉛の製造に適しています。押出成形品よりも異方性が小さく、ペーストを混合して薄いシートに圧延した後に細粒構造の製品が多いため、バインダーとコークス粉末の結合が良好になります。圧延したシートを冷却後に破砕し、金型に冷間プレスするか、一定の温度に加熱して成形します（温間成形といいます）。

静水圧プレスには 2 つの方法があります。1 つは押出または金型プレス後の生製品を一定の温度に加熱し、静水圧プレス金型に入れる方法です。もう 1 つは、準備した粉末を金型に充填することです。材料を入れた金型は密閉された高圧タンクに入れられ、均一に圧力がかかります。圧力は通常100～200MPaです。等方圧プレスは生産効率が最も低いですが、等方性の優れた最終グラファイトを生産できます。アルミニウムや大型のグラファイト電極、カーボン電極用のカーボン製品の製造には、一般に振動成形が使用されます。現在では特殊なグラファイトの成形にも使用可能です。振動成形装置は比較的シンプルで購入価格も安価です。一部の小規模な特殊グラファイト工場の主力成形装置となっています。

静水圧プレス

等方性黒鉛の成形プロセスは主に成形から等方成形に変更されます。静圧成形装置は主に弾性金型、高圧容器、フレーム、油圧システムで構成されています。弾性金型は通常、ゴムまたは樹脂の合成材料で作られています。材料粒子のサイズと形状は、弾性金型の寿命に大きな影響を与えます。金型の設計は、静水圧プレスにおける重要な技術的問題です。弾性金型は製品のサイズと均一性に密接に関係しています。高圧容器の多くは、高張力合金鋼を直接鋳造し、工作機械で加工して作られた厚肉の金属シリンダーです。強い液体圧力に耐える強度を持っています。シリンダ構造も二層複合シリンダやプレストレスト鋼線巻強化シリンダなど様々な形式があり、油圧システムは低圧ポンプ、高圧ポンプ、過給機、各種バルブで構成されています。それは大流量の低圧ポンプから始まります。一定の圧力になった後、高圧ポンプによって供給され、過給機によって高圧容器内の液体の圧力がさらに高められます。

液体静水圧プレス装置には、ウェットバッグ冷間静水圧プレス機とドライバッグ冷間静水圧プレス機の2種類があります。図４は２種類の冷間静水圧加圧タンクの構造模式図である。

ウェットバッグ冷間静水圧プレス機

この方法は、高圧容器内に金型を吊り下げ、製品のサイズに応じて複数の金型に装填することができます。小ロット、小型、複雑形状の製品に適しています。カーボン製品は主に湿式バッグ冷間静水圧プレスによって製造されます。

ドライバッグ冷間静水圧プレス機

この方法は、大型で生産能力の高い製品に適しています。このとき、冷間静水圧プレス装置もウェットバッグプロセスで使用される冷間静水圧プレスとは異なります。加圧パンチ、リミッター、エジェクターを追加。高圧容器内に弾性金型を固定し、リミッターで位置決めする方式のため、固定金型方式とも呼ばれます。製造時には、圧力パンチを使用して粉末を金型に充填し、上部の開口部を閉じます。加圧されると、液体媒体が容器内の弾性金型の周囲に注入され、金型が加圧されます。脱型時には金型を取り出す必要がなく、エジェクター機構により成形後のグリーンビレットが排出されます。この種の静水圧プレス装置は、特殊耐火物の量産に広く使用されています。

静水圧プレス手順（カーボン製品の製造）

金型の準備

金型は耐油性、耐熱性の高い材質を使用してください。天然ゴム型は変圧器油に浸漬すると1～2回しか使用できませんので、変圧器油を圧力媒体として使用する場合は耐油性の良いクロロプレンゴムを使用してください。一般的には塩化ビニル樹脂フィルムが使用されており、金型の製作にも使用できます。

材料を詰める

金型に充填する原料は、バインダーを含まない生の石油コークス粉末、仮焼した石油コークス粉末とアスファルトを混合して粉砕したペースト、粉砕用の石油コークス粉末と粉末アスファルトを混合して使用するなど、多種多様である。原材料と比率が異なると、異なる成形効果や異なる物理的および機械的特性が得られます。粉末材料をダイ内で最初に緻密にするために、同時に供給を振動させる必要があります。充填後、型を手で整形し、型のもう一方の端をゴム栓またはプラスチック栓で塞ぎ、液状媒体が型内に侵入しないように鉄線で締め付けます。粉体中のガスを完全に加圧排出するため、あらかじめ粉体内に排気管を挿入し、真空ポンプを接続して吸引します。一部の球状製品の製造では、粉末を成形によって球状に事前プレスし、その後、対応するサイズの静水圧プレス金型に配置する必要があります。円筒状製品をプレスする金型の構造を図5に示します。最後に高圧容器内に粉末金型を設置し、高圧容器の入口を密閉した上で圧力を加えます。

増圧と減圧

高圧ポンプを始動し、液体媒体を高圧容器に注入し、昇圧と排気に細心の注意を払います。圧力は通常、段階的に行われます。圧力が常圧まで下がったら、高圧容器の入口を開けて金型を取り出します。高圧容器を加熱する方法は、圧力を高めるためにも使用できます。加熱された液体は体積が膨張するため、加熱後は自動的に圧力が上昇しますが、ある程度までは自動的に圧力が上昇します。

焙煎と含浸

より高い嵩密度を必要とする黒鉛製品の場合、焙煎中に亀裂廃棄物が発生しやすいため、より遅い加熱曲線を使用する必要があります。小型製品の場合、耐熱鋼板を使用して角型や円形の焙煎用容器を作ることができます。生製品を容器に入れ、充填剤を充填して隔離して覆い、焙煎炉に投入します。含浸は重要です。高密度製品は 2 ～ 4 回含浸し、各含浸後に 1 回ローストする必要があります。含浸剤の軟化点は（含浸剤の粘度に関連して）正しく選択する必要があり、含浸前の予熱温度と、含浸ポットの温度、圧力、真空度、加圧時間などの技術パラメータを制御する必要があります。最高の含浸効果を実現します。

黒鉛化

大きい三高黒鉛は黒鉛化炉に直接充填され、小さい製品は黒鉛るつぼに充填され、その後、るつぼが黒鉛化炉に充填されます。抵抗要件が低い製品は充電を少なくすることができ、抵抗要件が高い製品は製品品質指標を満たすために通電することができます。高純度の黒鉛を製造するには、黒鉛化の後期段階で精製ガス（塩素とフロン）を黒鉛化炉に注入する必要があります。精製されたガスは、炉の温度が摂氏 1800 度に上昇してから搬出する必要があります。最初に窒素が導入され、炉温度が約 1950 ℃に達したときに塩素が導入され、炉温度が約 2350 ℃に達したときにフロンが導入されます。このときも塩素は侵入し続け、電源が停止されるまで数時間は塩素とフロンが入り続けます。これは、気化した不純物ガスが炉心と逆方向に拡散するのを防ぐためである。

エピローグ

改革開放以来、中国の炭素産業は大きく発展し、炭素製品の主要生産国となった。しかし、世界の先進工業国と比較すると、品質、多様性、エネルギー消費量の点でまだ差があります。これまでのところ、中国で必要とされる高品質の特殊黒鉛の多くは依然として輸入に依存している。特殊黒鉛製造の分野で国際的な先進技術に追いつくには長い道のりです。