الکترود سودربرگ Soderberg electrode (self-baked type)

فرایند تولبد الکترود سودربرگ برای تولید الکترودهای کربنی به صورت درجا در کوره‌های قوس الکتریک بسیار مشهور می‌باشد.

در حالت کلی، فرایند سودربرگ نیاز به تولید الکترود در یک مجتمع صنعتی جداگانه را برطرف کرده است،چون در این فرایند الکترود از خمیر الکترود پخته نشده که شامل مواد کربنی و چسب کربن دار می‌باشد به صورت درجا تولید می‌شود

الکترودهای سودربرگ در سال ۱۹۱۹ برای برطرف کردن مشکل محدودیت اندازه الکترودهای prebaked اختراع شدند. این الکترودهای self-baked از دو بخش به نام های پوشش فولادی و هسته کربنی تشکیل شده‌اند.

پوشش لوله فولادی نسبتا نازک می‌باشد. هدف از استفاده از این پوشش، احاطه کردن و دربرداشتن خمیر، پیش از پخته شدن و تامین یک مسیر برای حرکت جریان الکتریکی به درون خمیر می‌باشد.

به علاوه پوشش مقاومت مکانیکی کافی برای مقاومت در مقابل نیروی گیره‌ها و حلقه فشار را دارد. زمانی که کربن پخته شود، پوشش دیگر مورد نیاز نمی‌باشد و به دلیل افزایش دمای الکترودها، پوشش اکسید شده و جریان از طریق کربن انتقال داده می‌شود.

مواد هسته الکترود معمولا آنتراسیت کلسینه شده یا زغال سنگ و کک در یک چسب از جنس قیر یا قطران  تشکیل شده است.

این خمیر خام و پخته نشده از بالای الکترود به درون آن به شکل بریکت های ۰.۵ تا ۱.۵ کیلوگرمی پخته نشده یا به صورت قطعات استوانه‌ای شکل با اندازه بیشتر از ۱ تن و پخته نشده شارژ می‌شود.

الکترود سودربرگ ((Soderberg electrode (self-baked type)

چون جریان الکتریکی ابتدا به پوشش و سپس به خمیر منتقل می شود، به همین دلیل خمیر ابتدا نرم و سپس پخته می‌شود. خمیر خام دارای هدایت حرارتی و الکتریکی بسیار کمی می‌باشد.

خمیر خام در دمای ۵۰ تا ۸۰ درجه سانتی گراد نرم شده و برای پر کردن پوشش پخش می‌شود. حین پخته شدن در دمای ۵۰۰ – ۳۵۰ خمیر تحت یک تغییر حالت همراه با از دست دادن مواد فرار و تغییر حالت چسب قیری قرار می‌گیرد.

این نتایج باعث افزایش هدایت حرارتی و الکتریکی مواد می‌شود. خمیر با پخته شدن از یک حالت غیررسانا به حالت رسانا با استحکام مکانیکی مناسب تبدیل می‌شود که می‌تواند در مقابل نیروهای اعمال شده به کوره مقاومت کند.

در ابتدا خمیر الکترود گرم و زینتر می‌شود. در منطقه دوم (۷۰ تا ۳۵۰ درجه سانتی گراد) چسب (قیر) مایع می‌شود؛ سپس در منطقه سوم پخته شدن شروع می‌شود (  ۵۵۰ – ۳۵۰).

منطقه آخر از الکترود پخته شده تشکیل شده است و در این منطقه ۴ زیر منطقه تشخیص داده شده‌اند که اساس آن ها تغییر ساختار مواد الکترود می‌باشد.

این ۴ زیر مجموعه عبارتند از:

بیش‌ترین حذف مواد فرار در دماهای  ۹۰۰ – ۵۵۰ (منطقه IV-1)، منطقه با پایداری نسبی در دماهای  ۱۴۵۰- ۸۵۰ (IV-2)، منطقه گرافیتی شده کربن و احیای مواد خاکستری در دمای  ۲۵۰۰ – ۱۴۵۰ (IV-3) و نوک کاری در دماهای  ۲۷۰۰ – ۲۵۰۰ (IV-4).

الکترود سودربرگ ((Soderberg electrode (self-baked type)

خمیر پخته شده یک الکترود کربنی جامد تشکیل می‌دهد که جریان الکتریکی را به درون کوره منتقل می‌کند.

بخش پوشش دارای طول تقریبی ۱.۵ متر می‌باشد. از آنجایی که پوشش به سمت پایین حرکت می‌کند، بخش‌های اضافی به بالای ستون الکترود جوش داده می‌شود. خمیر اضافی هم از بالای الکترود توسط یک بالابر شارژ می‌شود.

الکترودهای سودربرگ در محدوده وسیعی از قطرها ساخته می شوند. به علاوه این الکترودها مانند فرایند prebaking محدودیتی از نظر اندازه ندارد و با قطرهای بزرگتر از mm 2000 تولید می‌شوند. این الکترودها نسبت به الکترودهای گرافیتی ارزان تر می باشند، چون مواد تشکیل دهنده آنها ارزان قیمت می باشد.

الکترودهای سودربرگ در تولید فروآلیاژها نسبت به الکترودهای prebaked رایج‌تر می‌باشند و در تولید فرونیکل، فروسیلیکون، سیلیکومنگنز و فروکروم پرکربن استفاده می‌شوند.

این الکترودها عموما در کوره‌های DC استفاده نمی‌شوند، چون قادر به حفظ چگالی بالای جریان نیستند.

 محدودیت های الکترودهای سودربرگ در تولید سیلیکون متال

متاسفانه الکترود پیوسته سودربرگ به دلایل زیر نمی‌تواند در تولید سیلیکون متال استفاده شود [۱]:

• محصول تولیدی به وسیله میزان آهن بالای پوشش فولادی آلوده می‌شود.
• بسته به انرژی استفاده شده برای فرایند ذوب، نرخ پخته شدن الکترودهای کربنی در مقایسه با نرخ مصرف آنها در کوره‌های سیلیکون متال کمتر است.

الکترودهای (prebaked (Graphitized

الکترودهای prebaked در یک محدوده طول، قطر و گرید تولید می‌شوند. این الکترودها با پرس مخلوط آنتراسیت یا کک و یک چسب به درون قالب تولید می‌شوند. پس از آن الکترودهای ساخته شده در یک کوره با محیط خنثی یا احیایی گرافیته می‌شوند.

بیشترین قطر الکترودهای prebaked به وسیله توانایی گرافیته کردن الکترودهای خام محدود می‌شود. شرایط کنترل شده ای که تحت آن الکترودها پخته می‌شوند باعث یکنواختی کیفیت، کاهش احتمال شکستن الکترود حین عملیات که ناشی از پخت ناقص الکترود می‌باشد، می­شود.

الکترودهای prebaked در گریدهای مختلف تولید می‌شوند. اگرچه همه الکترودها از ذرات کربنی در یک چسب قیر قطران ساخته می‌شوند، گرید کربن استفاده شده درجه گرافیته شدن نهایی الکترود، هدایت حرارتی و الکتریکی و هزینه آن را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

هدایت حرارتی و الکتریکی  و قطر الکترود، بیشترین چگالی جریانی که الکترود می‌تواند حمل کند را مشخص می‌کند. الکترودهای کربنی آنتراسیت و سمی‌گرافیت(semigraphite) در قطرهای mm 700 تا mm 1400 در دسترس می‌باشند.

گرافیت دارای هدایت الکتریکی نسبتا زیادی می باشد و استفاده از چگالی جریان بالا در الکترود آسان می‌کند. الکترودهای گرافیتی در گریدها و قطرهای مختلف از mm150 تا mm800  در دسترس می‌باشند.

هدایت الکتریکی بالای الکترودهای گرافیتی آنها را برای استفاده در کوره های DC مناسب می‌کند.

 از آنجایی در این نوع از الکترودها هیچ جز فلزی در تماس با کوره نمی‌باشد، برای تولید سیلیکون متال استفاده از الکترودهای prebaked سنتی که خارج از کوره تولید می‌شوند امری معمول می‌باشد.

درجه خلوص این الکترودها به منظور جلوگیری از آلودگی محصول نهایی بالا می‌باشد. هزینه الکترودهای prebaked دو یا سه برابر الکترودهای سودربرگ می‌باشد

الکترودهای کامپوزیتی

الکترودهای کامپوزیتی برای برطرف کردن نیاز به الکترودهای self-baking بدون آهن اختراع شدند.

این الکترودها در تولید سیلیکون متال و فروسیلیکون کم آهن استفاده می‌شوند، چون در این محصولات پوشش فولادی الکترودهای سودربرگ باعث ایجاد آلودگی و کاهش گرید آلیاژ تولیدی می‌شود.

الکترود کامپوزیتی دارای یک هسته گرافیتی prebaked می‌باشد که توسط یک پوشش فولادی احاطه شده است و فاصله بین آنها توسط خمیر سودربرگ پر می‌شود.

خمیر به مرور زمان پخته می‌شود و خمیر سودربرگ پخته شده به هسته گرافیتی متصل می‌شود نه به پوشش فولادی.

هسته گرافیتی و خمیر سودربرگ پخته شده به آرامی به طرف پایین حرکت می‌کنند و به وسیله پوشش فولادی اکسترود می‌شوند (پوشش فولادی در ارتفاع خود باقی می­‌ماند)

الکترود کامپوزیتی به خاطر هسته گرافیتی قادر به حمل چگالی جریان بالاتر نسبت به الکترود سودربرگ می‌باشد. این الکترود محدودیت‌های ناشی اندازه را که در الکترودهای prebaked وجود داشت را ندارد.

اجزا و سازه‎‌های مورد نیاز برای کنترل و ساخت این الکترودها نسبت به الکترودهای سودربرگ و prebaked پیچیده‌تر می‌باشد

الکترودهای سودربرگ در کوره‌های الکتروترمیک با یک پوشش فولادی قابل مصرف احاطه می‌شوند و به همراه الکترود به درون شارژ حرکت می‌کند. جریان الکتریکی به منظور پخت خمیر الکترود و تامین جریان عملیاتی به الکترودها به الکترودها اعمال می‌شود.

منبع:

 http://www.oilenergy.ir/index.php/component/k2/silicon-metal-electrod

[۱]     A. Vatland and W. Bruff, “Development of an in situ prebaking electrode system for silicon metal production,” Proceedings of INFACON, vol. 7, pp. 431-440.

[۲]     R. Boisvert, J. Dostaler, J. Dubois, and D. W. Ksinsik, “Electrode for silicon alloys and silicon metal,” ed: Google Patents, 1998.

[۳]     M. Gasik, Handbook of ferroalloys: theory and technology: Butterworth-Heinemann, 2013.