کک سوزنی

تولید فولاد به روش کوره قوس الکتریکی شدیدا” به الکترود گرافیتی و مهم تر از آن تولید الکترود گرافیتی انحصارا” به کک سوزنی وابسته است .

 کک سوزنی یک ماده بسیار  مهم برای تولید الکترود گرافیتی است .بیشتر از روش کک سازی تاخیری یا بستر فعال برای تولید کک سوزنی استفاده می شود .

تولید کک سوزنی با کیفیت خوب ساده نیست، زیرا کنترل چندین پارامتر برای کنترل فرآیند تولید لازم است . به عبارت دیگر یک فرآیند کنترلی چندین پارامتری است .

علاوه بر آن درک مکانیسم دخیل  درفرآیند کک سازی تاخیری هم بسیار مهم است که شامل شکل گیری مزوفاز و تنظیم مجدد در یک راستا می شود و در هرخوراک دهی برای مواد مختلف ، درجه حرارت و فشار خاص و بهینه ای لازم می باشد .

هیدروکربن اشباعی ، آروماتیک ، رزین و اسفالتین از ترکیبات اصلی در فرآیند کک سازی تاخیری  هستند که کنترل آنها درتولید کک سوزنی برای تولید الکترود با ضریب انبساط  گرمایی پائین مهم هستند. 

علاوه بر آن اتمهای مختلفی  مانند سولفور ، اکسیژن  ، نیتروژن و ناخالص های فلزی برای  گرافیته کردن  بهتر وجلوگیری از اثرات پفکی و تشکیل مزوفاز بهتر باید تحت کنترل  قرار گیرند.

 کک سوزنی از دو منشاء پترولیوم کک یا کک نفتی و کک قطران ذغالسنگ تولید می شود.

 کک نفتی یا پترولیوم کک Coke )   ( Petroliumیک محصول فرعی حاصل از پالایش نفت خام است که عمدتا” از کربن تشکیل شده است و دارای مقداری گوگرد و فلزات سنگین مانند نیکل و وانادیوم است .

کک سوزنی

 درسال ۱۹۳۵ تولید کک از پترولیوم کک به روش کک سازی تاخیری از نفت خام جایگزین تولیدکک از ذغالسنگ شد. از دهه ۱۹۷۰ کک سوزنی جایگزین دیگرمواد برای تولید الکترود گرافیتی شدکه تحول بزرگی درتولید فولاد به روش قوس الکتریکی بوجود آمد .

 میتسوبیشی کمیکال اولین شرکت در دنیاست که موفق شد کک سوزنی ذغال پایه تولید کند.

در دنیا فقط دو شرکت هستند که کک سوزنی با منشا ذغال سنگ  تولید می کنند که هر دو در ژاپن قرار دارند کک سوزنی میتسوبیشی  کمیکال خواص فیزیکی عالی  مانند ضریب انبساط گرمایی کم و مقاومت الکتریکی بسیار پائین همراه با خرد شوندگی کمتر و شکست کمتر دارد.

 الکترود گرافیتی را مطابق با استاندارهای جهانی می بایست از پترولیوم کک کلسینه شده تهیه نمود .

که تکنولوژی و فرآیند تولید کک سوزنی بعنوان ماده اولیه شکل دهنده  ( CPC ) بصورت انحصاری در اختیارکشورهای معدودی نظیر امریکا ، ژاپن ،  چین ، آلمان قرار دارد و همین باعث شد که ساخت الکترودهای گرافیتی بعنوان ماده مصرفی اصلی درکوره ذوب و ریخته گری به روش ایجاد قوس الکتریکی بصورت انحصاری در اختیار این کشورهای توسعه یافته قرار گیرد.

    )فرآیند اصلی تولید کک سوزنی در انحصار امریکا و ژاپن است.(

کک سوزنی

 تاثیر کیفیت کک نفتی برکیفیت الکترود بسیار مهم است. هر چه درجه ( grade )کک نفتی بالاتر باشد کیفیت الکترود گرافیتی بالاتر خواهد شد. 

البته علاوه برکیفیت کک نفتی طول الکترود ، قطر، ضخامت ، چگالی ،مقاومت و میزان روزنه ها نیز درکیفیت و توان و سرعت انتقال جریان برق الکترود گرافیتی موثرند .

 یکی از روش های تبدیل پسماند پالایش به محصولات با ارزش استفاده از فرایند کک سازی است .

کک سازی فرآیندی متشکل از تجزیه حرارتی ، پلیمریزاسیون و چگالش است که در آن پسماند های سنگین نفتی به انواع گازها ، مایعات و ماده جامد با درصد کربن بالا به نام کک نفتی تبدیل می شود. کک نفتی بدست آمده که تکلیس نشده باشد کک سبز نامیده می شود .

کک نفتی کلسینه شده برای ساخت آند در تولید  آلومینییم و تولید محصولات مختلف کربنی یا گرافیتی به کار می رود.

ساختار فیزیکی و میزان خلوص کک نفتی کاربرد آن را تعیین می کند کک موردنیاز برای ساخت این محصولات کربنی باید محتوی مقدار کم مواد معدنی و گوگرد باشد .

اگر کک دارای گوگرد ، خاکستر و وانادیوم زیاد باشد بعنوان سوخت مصرف می شود.

فرایند کک سازی

فرآیندکک سازی بیشتر به صورت

1. کک سازی تاخیری
2. کک سازی در بستر سیال

صورت می گیرد .

روش تاخیری یکی از مهمترین فرآیندهای تبدیل پسماند پالایشی سنگین به فرآورده های مفید است که محصولات آن شامل گاز ، مایع و کک است . بازده هرکدام از این محصولات به نوع خوراک و شرایط  عملیاتی حاکم بر فرآیند کک سازی تاخیری بستگی دارد .

  در فرآیند کک سازی تاخیری بر حسب خوراک ، کک با سه ساختار فیزیکی : کک سوزنی ، کک اسفنجی  و کک دانه ای قابل تهیه است .  کک سوزنی به خاطر ساختار سوزنی شکل خود به این نام خوانده می شود و از خوراک هایی که دارای آسفالتین نمی باشند بدست می آید . ازاین نوع کک برای ساختن الکترودهای گرافیتی استفاده می شود که قیمت بالایی دارند .

 میزان تولیدکک سوزنی توسط بزرگ ترین تولید کنندگان در سال ۲۰۱۸ به شرح ذیل بوده است :

فیلیپس۶۶  ( امریکا )                                        ۳۷۰.۰۰۰  تن

سی کمکو    (ژاپن )                                      ۱۷۰.۰۰۰     ”  

سیدرفت ال پی (امریکا)                                  ۱۵۰.۰۰۰   “

میتسوبیشی کمیکال (ژاپن)                                     ۱۳۰.۰۰۰   “

جی اکس تی جی نیپون اویل وانرژی (ژاپن )          ۸۰.۰۰۰     “

ضمنا” شرکتهای چینی Sinosteel  حدود ۱۴۰ هزار تن ، Petrochina   حدود ۶۰ هزار تن و Baosteel

حدود ۵۰ هزار تن کک سوزنی تولید نمودند.

امریکا ، چین و ژاپن  بزرگ ترین تولید کننده کک سوزنی در جهان هستند و بعد از آنها هند و  روسیه آلمان و بریتانیا از کشورهای اصلی تولید کننده کک سوزنی و الکترود گرافیتی می باشند.

بزرگ ترین تولید کننده کک سوزنی در جهان کنوکوفیلیپس ( Phillips Conoco  (  Phillips66 است . دو شرکت در جهان هستند که کک سوزنی را از  مشتقات قیر و قطران ذغالسنگ تولید می کنند هر دو شرکت در ژاپن قرار دارند.

کک سوزنی

  کک سوزنی علاوه بر تولید الکترودهای گرافیتی   برای باتری های لیتومی – یون که در تلفن و اتومبیل های الکتریکی مصرف دارند استفاده می شود.

بالا رفتن تقاضای  این صنایع برای مصرف این ماده  وضع را برای بخش فولاد سخت تر  می کند . پترولیوم کک که کک سوزنی یکی از انواع آن است همچنین وسیعا” در صنعت آلومینیم برای  فرایند ذوب مصرف دارد.

کک سوزنی مطلوب دارای ویژگیهای  ذیل می باشد:

1. ضریب انبساط حرارتی پائین
2. قابلیت گرافیته شدن بسیار بالا
3. ضریب تصویری بالا
4. استحکام کافی
5. قابلیت پفگی پائین
6. سولفور و نیتروژن پائین
7. دانسیته خوب
8. خاکستر پائین
9. قابلیت سایز بندی مناسب

و…

 کوره های فولادی قوس الکتریکی نیاز به کک باکیفیت بالا برای تولید الکترودهای گرافیتی دارند. تقاضا صنعت فولاد برای کک های ویژه برای تولید    UHP ( Ultra  High  Power  ) در کوره های قوس الکتریکی برای تولید فولاد درحال افزایش  است.

در تولید الکترود های گرافیتی با قطر کوچک بدون درنظر گرفتن درجه آنها اغلب ازکک نفتی استفاده می شود. گاهی برای بالا بردن کیفیت درجه های متفاوت با یکدیگر ترکیب می شوند . اما در تولید الکترودهای با قطر بزرگ می توان گفت که از کک سوزنی ۱۰۰ % کیفیت بالا  باید استفاده شود.

 بطور کلی الکترودها از گرافیت ساخته می شوند زیرا تنها گرافیت است که در درجه حرارت شدید بیش از ۳۰۰۰ درجه ( نصف حرارت سطح خورشید ) می تواند دوام بیاورد .

کک سوزنی

سهم مصرف کک سوزنی دربخش های مختلف صنعت به شرح ذیل می باشد:

الکترود گرافیتی                            ۸۰ %

باتری های لیتوم                          ۱۰ %

مواد پیشرفته کربنی گرافیت         ۸ %

سایر موارد                                   ۲ %

کک سوزنی قبلا” ارزان بود و ارزش افزوده پائینی را نصیب شرکت های پتروشیمی و پالایشگاهی می کرد ولی بعلت تغییر سیاست های اکارخانه ها ی تولیدکک سوزنی  و روی آوری به تولید مواد با ارزش افزوده بالاتر و کاهش عرضه کک سوزنی ، جهش قیمتی در بازارهای جهانی کک سوزنی پدیدآمد ودر سال ۲۰۱۷ قیمت آن به حدود ده برابر رسید. پیش بینی می شود تا سال ۲۰۲۱  بازار  کک سوزنی دنیا به ۲/۱۱ میلیارد دلار برسد.

توجه به موارد مطرح شده  انتظار می رود همانند سالهای قبل  تولید فولاد از طریق کوره قوس الکتریکی در جهان شاهد رشد بالایی  باشد . این به نوبه خود نیاز به الکترودهای گرافیتی را بالا می برد.

نهایتا” افزایش نیاز به الکترودهای گرافیتی ماشه افزایش تقاضا برای کک سوزنی را  خواهد چکاند . از سوی دیگر مصرف آلومینیوم هم در جهان درحال افزایش است .

دلایل مشکلات زیست محیطی کشورهای جهان در حال الکتریکی کردن صنایع خودرو خود هستند و همه اینها حاکی از آنند که نیاز به کک سوزنی شدیدا” در حال افزایش است .