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長春針狀焦
長春針狀焦

針狀焦:制造高功率或超高功率石墨電極的關鍵原料!

DATE:2018-06-20

  材料定義:石墨電極是無定型碳經過石墨化爐焙燒制成的炭素制品

  石墨電極是經過石墨化處理的炭素制品。根據我們在2017年6月26日發布的《炭素行業專題報告之一:鋼鐵用炭素(I)——新增電爐投放驅動石墨電極需求,技術進步、集中度提升助長期發展》,炭素制品按是否石墨化分,可以分為兩大類,一是未經過石墨化處理、由非石墨質碳組成的炭制品;二是經過石墨化處理、由石墨質碳組成的石墨制品。

  石墨化是指在高溫電爐內把炭制品加熱到2300℃以上,使無定形碳轉化成具有三維有序的平面六角網格層狀結構石墨的高溫熱處理過程。炭材料的石墨化是在2300~3000℃高溫下進行的,由于化石燃料的燃燒難以獲得如此高的溫度,故在工業上只有通過電加熱焙燒方式才能實現。  

  生產工藝:石油焦、針狀焦、煤瀝青等原材料成本占比66.88%,生產周期超50天、超高功率長達65天

  1、原料與成本:石油焦、針狀焦和煤瀝青等原材料占石墨電極成本的66.88%

  (1)原料:低硫石油焦、煤系針狀焦為骨材,煤瀝青為粘結劑

  石墨電極由石油焦、針狀焦等為原料、煤瀝青等為粘結劑,經原料破碎、配料、混捍、壓制成型、焙燒、浸漬、二次焙燒、石墨化、機加工、質量檢驗、打包出廠等11道工序制備而成。

  石油焦:石油焦(Petroleum coke)是原油經蒸餾將輕、重質油分離后,重質油再經熱裂過程得到的石油制品。石油焦色黑多孔,碳含量占80%以上,灰分含量一般在0.5%以下,在化工、冶金等行業中有廣泛的用途,是生產人造石墨制品及電解鋁用炭素制品的主要原料。石油焦按硫分的高低區分,可分為高硫焦(含硫1.5%以上)、中硫焦(含硫0.5%~1.5%)、和低硫焦(含硫0.5%以下)三種,石墨電極及其它人造石墨制品生產一般使用低硫焦生產。

  針狀焦:針狀焦是外觀具有明顯纖維狀紋理、熱膨脹系數特別低和很容易石墨化的一種優異焦炭。針狀焦物理性能的各向異性十分明顯,平行于顆粒長軸方向具有良好的導電導熱性能和較低的熱膨脹系數,因此針狀焦是制造高功率或超高功率石墨電極的關鍵原料,制成的石墨電極電阻率較低,熱膨脹系數小,抗熱震性能好。針狀焦按原料來源可分為以石油渣油為原料生產的油系針狀焦和以精制煤瀝青原料生產的煤系針狀焦兩種。根據張毅峰2013年發表于《炭素技術》期刊上的《針狀焦與石墨電極》一文,國外炭素企業生產大規格高功率和超高功率石墨電極往往頭選優異油系針狀焦為主要原料焦,目前我國針狀焦以煤系針狀焦為主,油系針狀焦依賴于從日本水島公司和英國HSP公司進口。

  煤瀝青:煤瀝青是煤焦油深加工的主要產品之一,為多種碳氫化合物的混合物,成分較為復雜,常溫下為黑色高粘度半固體或固體。按軟化點高低分,煤瀝青可分為低溫、中溫和高溫煤瀝青三種。煤瀝青在石墨電極生產中作為粘結劑和浸漬劑使用,一般使用軟化點適中、結焦值高的中溫或中溫改質煤瀝青。

  (2)成本:1噸成品石墨電極需1.02噸原料和0.29噸粘結劑,原材料成本占比達66.88%

  石墨電極成本分四大部分:

  一是石油焦、針狀焦和煤瀝青等原料成本,

  二是焙燒、石墨化、機加工等生產工序的動力成本,

  三是加工制造中的人力成本,

  四是制造成本。

  石墨電極的原料成本和動力成本為主要成本,占比達83.65%。根據中國炭素行業協會統計數據,2017年方大炭素的石墨電極產量居全國頭位。方大炭素的炭素制品營業收入占公司總營收的75%,石墨電極產量占當年公司炭素制品總產量的85%,因此我們以典型石墨電極生產企業——方大炭素的2017年炭素制品成本構成作為石墨電極的成本構成是合理的。根據方大炭素2017年年報,炭素制品的成本構成中,原料成本、動力成本、人力成本和制造成本分別占66.88%、16.77%、8.02%和8.33%,其中原料成本相比2016年的51.83%大幅上升15個百分點。

  1噸成品石墨電極需1.02噸原料和0.29噸粘結劑。根據2009年大連理工大學高勃碩士學位論文《國產針狀焦生產超高功率石墨電極的研究》,石墨電極骨料為石油焦和針狀焦,粘結劑為煤瀝青,其基礎配方為78%的骨料和22%的粘結劑。而根據張向軍等人2001年發表在《炭素技術》期刊上的《用美國油系針狀焦生產Φ400mmUHP石墨電極》一文,石墨電極在焙燒、石墨化等工序中會由于添加劑揮發或增加造成質量變化,在機加工等工序中會發生加工損失,其一次焙燒、浸漬、二次焙燒、石墨化和機加工成品率分別為90.4%、102.9%、96.97%、84.70%,因此其綜合成品率為76.40%。即1噸成品石墨電極需最初原材料質量為1.31噸,對應骨料和粘結劑質量分別為1.02噸和0.29噸。

  普通功率、高功率、超高功率石墨電極由于質量要求不同,制備時其骨料成分也不同。一般來說,普通功率石墨電極骨料均為石油焦,高功率石墨電極骨料由70%的優異石油焦和30%的針狀焦組成,超高功率石墨電極骨料100%為針狀焦。因此我們可計算出1噸普通功率石墨電極需石油焦骨料1.02噸;1噸高功率石墨電極骨料需石油焦0.71噸、針狀焦0.31噸;1噸超高功率石墨電極骨料需針狀焦1.02噸。

  石墨電極生產成本受原材料價格影響較大。根據前文,石墨電極生產成本中原材料成本約占66.88%。盡管生產超高功率石墨電極所需針狀焦成本要高于普通功率和高功率石墨電極,但超高功率石墨電極由于生產工序更多、加工精度要求更高,相應人力成本、制造成本和動力成本也會更高,因此我們假設普通功率、高功率和超高功率石墨電極原材料成本占比均為66.88%也是合理的。因此我們可以得到普通功率、高功率和超高功率石墨電極生產成本計算方法:

  其中,CPC、CNC、CCT分別為石油焦、針狀焦和煤瀝青每噸單價。根據wind、卓創資訊數據,截止2018年3月16日,撫順石化二廠1#A石油焦、錦州石化油系針狀焦、華東地區煤瀝青單價分別為8500元/噸、25000元/噸、3850元/噸,則計算可得普通功率、高功率和超高功率石墨電極成本分別為14633元/噸、22281元/噸、39797元/噸;根據中華商務網數據,截至2018年3月16日,國內直徑500mm的普通功率、高功率和超高功率石墨電極主流市場價分別為67500元/噸、93333元/噸,155000元/噸,毛利率分別為78.32%、76.13%和74.32%。

  2.生產工序與周期:生產工序達11道,普通功率石墨電極生產周期超50天,超高功率長達65天

  石墨電極生產工序繁多。石墨電極由石油焦、針狀焦等為原料、煤瀝青等為粘結劑,經原料破碎、配料、混捍、壓制成型、焙燒、浸漬、二次焙燒、石墨化、機加工、質量檢驗、打包出廠等11道工序制備而成,生產工序繁多。

  普通石墨電極生產周期長達50天,超高功率至少需65天。典型普通功率石墨電極壓制成型、焙燒、浸漬、焙燒、石墨化、機加工、成品打包等工序分別至少需要3天、25天、4天、15天、2天和1天的時間,共計50天,若考慮原料備貨、原料破碎、配料、混捍、質檢等工序,石墨電極的生產周期將會更長;而根據李圣華等2001年發表在《炭素科技》期刊上的《石墨電極生產中的節能降耗》一文,為了提高超高功率石墨電極的體積密度,采用先進的短流程生產工藝生產超高功率石墨電極需要一次浸漬和二次焙燒,二次焙燒需15天,因此超高功率石墨電極生產周期長達65天以上。石墨接頭則需要二次浸漬和三次焙燒,生產周期更長。

  3.發展趨勢:電弧爐功率提高驅動石墨電極向超高功率方向發展

  100~150噸級高功率和超高功率電弧爐是主流發展方向

  根據宋華德等人1994年發表在《特殊鋼》期刊上的《超高功率電弧爐技術概況》一文,電爐的生產能力決定于爐容量與單位輸入功率。在單位功率水平相同時,生產能力隨容量增大而提高。

  電爐容量過小,不僅生產效率低,技術經濟指標差,而且配備爐外精煉設備也比較困難;而容量在150噸以上的電爐由于其單位功率水平不高,反而不能充分發揮超高功率電爐的優點,因此多數電爐容量在150噸內;同時,根據我國發改委于2017年發布的《產業結構調整指導目錄2011年本(修正)》,30噸以下容量的電爐已經被列為落后產能予以淘汰,而30~100噸容量的電爐被列為限制類建設項目。因此100~150噸高功率和超高功率電弧爐將是我國未來電弧爐發展方向。

  電弧爐功率提高驅動直徑500mm以上的高功率和超高功率石墨電極發展

  超高功率電弧爐發展驅動超高功率石墨電極需求。隨著勞動效率高、綜合成本低的大容量超高功率電弧爐的日趨增多,對電弧爐用石墨電極的最大允許電流也提出了更高的要求。根據天津大學張勇2004年碩士學位論文《φ700mm超高功率石墨電極接頭的研制》,電弧爐用石墨電極最大允許電流與石墨電極的直徑成正相關。因此為滿足超高功率電弧爐的使用工況,發展大直徑的石墨電極勢在必行。

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