گرافیت
گرافیت ماده معدنی بسیار نرم با رنگ مشکی است که از اتم‌های کربن تشکیل شده است. این ماده غیرسمی است و براحتی اثر آن بر روی سطوح زبر باقی می‌ماند.
کاربرد عمده گرافیت در صنعت فولاد و ساخت مداد است. نام گرافیت برگرفته از واژه یونانی graphein به معنی نوشتن است که اشاره به رد سیاه رنگی دارد که روی کاغذ از آن به جا می‌ماند.
گرافیت مات و خاکستری تیره تا سیاه است. به شکل بلورهای شش وجهی، ورقه‌های انعطاف پذیر، پوسته پوسته یا توده‌های بزرگ تشکیل می‌شود. ساختار آن می‌تواند به شکل خاک، دانه دانه یا فشرده باشد.
گرافیت که نماد شیمیایی آن C است در اثر دگرگونی رسوبات کربن دار و نیز در اثر واکنش ترکیبات کربن با محلول‌های هیدروترمال به وجود می‌آید.
گرافیت زمانی تشکیل می‌شود که کربن در معرض گرما و فشار پوسته و بخش بالایی جبه زمین قرار گیرد. برای این که گرافیت به وجود آید باید فشاری برابر ۷۵۰۰۰ پوند در هر اینچ مربع و دمایی در حدود ۷۵۰ درجه سلسیوس به آن وارد آید.
گرافیت
می توان گفت؛ گرافیت در شرایط جوی پایدار است اما ترکیباتی مانند الماس می‌تواند تحت فشار و دمای مشخصی به گرافیت تبدیل شود.
لازم است بدانید که الماس و گرافیت از کربنی تشکیل شده‌اند که از بقایای موجودات زنده بدست آمده است. کربن باقیمانده از موجودات زنده به ذغال‌سنگ تبدیل می‌شود.
بیشتر گرافیتی که در سطح زمین دیده می‌شود در مرز صفحات همگرای زمین، یعنی جایی که سنگ شیل غنی از ماده ارگانیک و سنگ آهک در معرض گرما و فشار دگرگونی ناحیه ای قرار می‌گیرند تشکیل می‌شود.
در نتیجه مرمر، شیست و گنیس تشکیل می‌شوند که دارای بلورها و ورقه‌های ریز گرافیت هستند.
زمانی که گرافیت در مقادیر زیاد انباشته می‌شود، می‌توان سنگ‌های نام برده را استخراج کرد و به اندازه‌های کوچک خرد کرد تا ورقه‌های گرافیت موجود در آن‌ها آزاد شود و به دنبال فرآیندهایی مانند «جداسازی طبق چگالی ویژه» یا «شناورسازی کف» گرافیتی که تراکم کمتری دارد از آن جدا شود. محصول تولید شده گرافیت ورقه ای است.
لازم به ذکر است که شناورسازی کف یکی از مهم ترین روش‌های جداسازی ماده معدنی از مواد زاید و یکی از دقیق ترین روش‌ها برای پرعیار کردن مواد معدنی است.
گرافیت شکلی از کربن بلوری است که به طور طبیعی شکل می‌گیرد. این کانی بومی‌در سنگ‌های آذرین و دگرگونی یافت می‌شود. این کانی هر ویژگی را به میزان زیادی دارا است.
برای مثال بسیار نرم است، با کوچک ترین فشاری در سطح رَخ می‌شکند و چگالی ویژه بسیار کمی‌دارد. از سوی دیگر، به شدت در مقابل گرما مقاوم است و درتماس با مواد دیگر واکنشی نشان نمی‌دهد.
به خاطر این ویژگی‌ها است که موارد کاربرد گرافیت در متالورژی و تولید سازه بسیار گسترده هستند. از گرافیت در متالورژی، الکتروتکنیک، رآکتورهای اتمی‌و ساخت انواع مداد استفاده می‌شود.
تشکیل گرافیت بی شکل
نوعی از گرافیت از دگرگونی رگه‌های نازک زغال سنگ شکل می‌گیرد. مواد اصلی ارگانیک موجود در زغال سنگ شامل کربن، اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن و گوگرد هستند.
گرمای ناشی از دگرگونی، مولکول‌های ارگانیک زغال سنگ را از بین می‌برد و اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن و گوگرد موجود در آن را تبخیر می‌کند. چیزی که باقی می‌ماند کربن تقریباً خالصی است که به شکل گرافیت معدنی متبلور می‌شود.
این گرافیت در رگه‌های باریکی تشکیل می‌شود که به لایه اصلی زغال سنگ ارتباط دارند. این ماده پس از استخراج گرافیت بی شکل نامیده می‌شود.
کاربرد واژه بی شکل در واقع نادرست است، چون این نوع گرافیت دارای ساختار بلوری است. این ماده وقتی که از معدن بیرون آورده می‌شود ظاهری شبیه به کلوخه‌های زغال سنگ دارد، ولی بدون نوارهای تیره و روشن است.
گرافیت تشکیل شده از دگرگونی هیدروترمال
مقدار کمی‌گرافیت در اثر واکنش ترکیبات کربن به دنبال دگرگونی هیدروترمال تشکیل می‌شود. این کربن قابلیت جا به جا شدن و رسوب کردن در رگه‌هایی که متصل با کانی‌های هیدروترمال هستند را دارد.
چون این کربن در جریان آب شسته و جا به جا می‌شود، میزان تبلور بالایی دارد. این ویژگی آن را به ماده ای مناسب برای بسیاری از مصارف الکتریکی تبدیل کرده است.
گرافیت موجود در سنگ‌های آذرین و شهاب سنگ‌ها
مقادیر بسیار کمی‌از گرافیت به عنوان کانی اولیه در سنگ‌های آذرین شکل می‌گیرد. به شکل ذرات بسیار کوچکی در جریان‌های آتشفشانی بازالت و سینیت یافت می‌شود. همچنین در پگماتیت‌ها هم دیده می‌شود.
برخی شهاب سنگ‌های آهنی نیز مقادیر اندکی گرافیت در خود دارند که این نوع گرافیت از لحاظ اقتصادی ارزشی ندارد.
گرافیت مصنوعی
گرافیت مصنوعی با حرارت دادن موادی با درصد بالای کربن مانند کُک نفتی در دمایی بین ۲۵۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سلسیوس حاصل می‌شود. در چنین دمای بالایی، همه مواد فرار و بسیاری از فلزات در ماده قابل تزریق یا از بین می‌روند یا از آن خارج می‌شوند.
گرافیتی که باقی می‌ماند به یک ساختار صفحه مانند بلوری می‌چسبد. درجه خلوص گرافیت مصنوعی تا ۹۹ درصد کربن هم می‌رسد.اکنون به بررسی جایگاه گرافیت در صنعت فولاد می پردازیم.
صنعت فولاد و گرافیت
صنایع فولاد کشور را بی‌تردید باید یکی از راهبردیترین صنایع در اقتصاد ایران دانست که یکی از پرظرفیت‌ترین صنایع جایگزین صنعت نفت است تا جایی که حتی در آمارهای اقتصادی، مصرف سرانه فولاد به‌عنوان شاخصی برای ارزیابی صنعتی بودن کشور مطرح می‌شود.
فولاد چرخ بسیاری از صنایع کشور را به حرکت در می‌آورد و طبق آمار درحال حاضر افزون بر ۶۰۰ صنعت به‌عنوان صنایع پایین‌دستی، از آن تغذیه می‌کنند.
ایران در تولید فولاد دارای جایگاه بین‌المللی نیز هست و درحال حاضر با اندکی نوسان چهاردهمین فولادساز جهان شناخته می‌شود. اهمیت این صنعت به اندازه‌ای است که آمریکا با اعمال تحریم‌های جدید در این صنعت، حلقه فشار اقتصادی را بر ایران تنگ‌تر کرده است.
پس از خروج ترامپ از برجام، وزارت خزانه‌داری آمریکا در راستای فشار حداکثری صادرات بخش آهن، فولاد، آلومینیوم و مس ایران را تحریم کرد.
پس از آن و در مهرماه سال جاری، وزارت امور خارجه آمریکا با صدور بیانیه‌ای به کشورهای جهان هشدار داد درصورت انتقال یا صادرات دو ماده مهم یعنی «کک سوزنی» و «الکترود گرافیتی» به ایران که در صنایع فولادسازی کاربرد دارند، با تحریم مواجه خواهند شد.
این تحریم دو مسیر متفاوت را پیش‌روی ایران قرار داد؛ نخست تسلیم برابر تحریم‌های اعمال‌شده و دوم دستیابی به تکنولوژی ساخت و تولید این دو ماده مهم در کشور به‌منظور جلوگیری از تاثیر تحریم‌ها بر صنعت فولادسازی.
کک سوزنی و الکترود گرافیتی
در صنعت فولادسازی، ذوب فلز به دو روش کوره‌های قوس الکتریکی و کوره بلند انجام می‌شود. در روش کوره قوس الکتریکی، برای انتقال جریان بالای الکتریسیته به کوره، قطعه‌ای نیاز است که به آن الکترود گرافیتی گفته می‌شود.
الکترودهای گرافیتی ظرفیت زیادی برای ایجاد هدایت الکتریکی بالا و توانایی جهت مقاومت درمقابل حرارت ایجادشده را دارند. گرافیت از ماده اولیه‌ای به نام کک سوزنی تولید می‌شود.
کک سوزنی نیز از ماده‌ای به نام کک نفتی یا قطران (با ریشه زغال‌سنگ) به دست می‌آید که تولید آن با استفاده از تکنولوژی‌های بسیار پیچیده و فوق‌پیشرفته امکان‌پذیر است.
براین اساس کک سوزنی و الکترود گرافیتی دو ماده اصلی صنایع فولاد است که درصورت این دو ماده، فعالیت کوره‌های قوس الکتریکی متوقف می‌شود.
به‌عبارت دیگر، بیشترین مصرف کک سوزنی در صنعت الکترودهای گرافیتی است تا جایی که سهم بازار الکترودها از کک سوزنی تولیدشده در جهان حدود ۸۰ درصد برآورد شده است.
این آمار نشان می‌دهد هرگونه تغییر و تحول در تولید و بازار کک سوزنی اولین تاثیر خود را در حوزه الکترودهای گرافیتی خواهد گذاشت که عمدتا مورد استفاده در صنایع فولاد هستند.
درحال حاضر تکنولوژی و فرآیند تولید کک سوزنی به‌عنوان ماده اولیه شکل‌دهنده الکترود گرافیتی به صورت انحصاری در اختیار کشورهای معدودی مانند آمریکا، ژاپن، چین، آلمان و روسیه و فرآیند اصلی تولید کک سوزنی در انحصار دو کشور روسیه و ژاپن است.
صنعت فولاد ایران و نیاز به گرافیت
براساس آمار، درحال حاضر افزون بر یک میلیارد و 500 میلیون تن فولاد خام در جهان تولید می‌شود که در این میان سهم تولید ایران حدود یک درصد است و با اندکی تغییر در جایگاه چهاردهم و پانزدهم جهان قرار دارد.
چین با تولید 790 میلیون تن فولاد خام در جایگاه نخست تولیدکنندگان فولاد جهان قرار دارد. همان‌طور که گفته شد نیاز اصلی کارخانه‌های فولاد و کوره‌های قوس الکتریکی به دو ماده الکترود گرافیتی و کک سوزنی و تولید آن در انحصار چند کشور معدود است، لذا تنها راه تامین این دو ماده اصلی برای صنعت فولاد کشور، واردات است که طی سال‌های گذشته کک سوزنی و الکترود گرافیتی از طریق واردات تامین شده است.
طبق آمارهای گمرک، الکترود گرافیتی ششمین کالای وارداتی به کشور در سال ۱۳۹۷ بوده است. سال 97 حدود ۱۲۹هزار تن الکترود گرافیتی به ارزش بیش از 650 میلیون دلار برای تامین نیاز کارخانه‌های فولادسازی وارد کشور شده است.
در ایران سالانه حدود 50 هزار تن الکترود گرافیتی در کوره‌های فولادسازی استفاده می‌شود که برای تولید این میزان الکترود گرافیتی 50 هزار تن کک سوزنی نیاز است.
وابستگی 85 درصدی صنعت فولاد به کک سوزنی
علاوه‌بر آمریکا و ژاپن که دانش تولید کک سوزنی را در انحصار خود دارند، چین نیز کک سوزنی تولید می‌کند و ایران در دوران تحریم، کک موردنیاز کارخانه‌های خود را از چین خریداری می‌کرد.
سال گذشته تولید الکترود گرافیتی به‌شدت کاهش یافت و کشور چین نیز میزان تولید خود را کاهش داد. این امر باعث افزایش قیمت این محصول در بازارهای جهانی شد.
در این راستا انجمن تولیدکنندگان فولاد ایران با تاکید بر اینکه شرکت‌های فولادی کشور پیش از اعمال تحریم‌ها علیه این صنعت کشور، تحریم الکترود گرافیتی را پیش بینی کرده بودند، از اینرو سال گذشته بیش از ۱۰۰ هزار تن الکترود گرافیتی و البته با قیمت‌های بسیار بالاتر از نرم جهانی خریداری شد.
براساس برآوردهای انجمن تولیدکنندگان فولاد ایران، این میزان می‌تواند نیاز مصرف دو سال شرکت‌های فولادی کشور را برطرف کند.
با وجود این، از آنجا که تولید بیش از ۸۵ درصد فولاد کشور به روش قوس الکتریکی و وابسته بودن این روش به الکترود گرافیتی و وابستگی الکترود گرافیتی به کک سوزنی است، لذا ضرورت تولید انبوه و صنعتی شدن تولید کک سوزنی توسط شرکت‌های دانش‌بنیان امری ضروری به نظر می‌رسد.
کاربرد گرافیت در صنعت متالورژی
- بالابردن سختی فولاد با افزودن گرافیت
- تولید الکترود های صنعتی متالورژی با پرس پترولیوم کک
- تولید الکترود گرافتی مورد استفاده در کوره های قوس الکتریکی
- احیای فولاد و اکسید های فلزات با استفاده از اکسیداسیون کربن به اشکال کک متالورژی ، ذغال حرارتی ،کک ،گرافیت و…
الکترودهای گرافیتی
الکترودهای گرافیتی معمولا به منظور ایجاد قوس الکتریکی در کوره‌های ذوب فولادسازی استفاده می‌شود. الکترودهای گرافیتی ظرفیت مناسبی جهت ایجاد هدایت الکتریکی بالا و توانایی جهت مقاومت در مقابل حرارت ایجاد شده را دارا هستند.
کیفیت الکترود گرافیتی بستگی به گرافیت بکار رفته در آن دارد.
الکترودهای گرافیتی جهت بهبود شرایط ذوب و در فرآیندهای مشابه ذوب استفاده می‌گردند.
از دیگر کاربردهای الکترودهای گرافیتی می‌توان به عملیات‌هایی همچون خم‌کاری،ایجاد شیار یا حذف عیوب در قطعات ریخته‌گری و جوشکاری‌شده بوسیله قوس الکتریکی اشاره کرد.
با ایجاد قوس الکتریکی بین الکترود گرافیتی و سطح قطعه ذوب بر روی قطعه ایجاد نموده و با هوای فشرده یا نیتروژن فلز مذاب از روی سطح پاک می‌شود.
کاربردهای دیگر گرافیت
گرافیت در ر یخته گری پیوسته
از گرافیت بطور گسترده در ساخت قالبهای ریخته‌گری پیوسته استفاده می‌شود. در ریخته‌گری پیوسته، فلز مذاب در یک فرآیند سرد شدن پیوسته و عبور از قالب به شکل‌های شمش یا تختال تبدیل می‌شود.
از مزیت‌های ریخته‌گری پیوسته در مقایسه با دیگر روش‌ها می‌توان به راندمان بالا، کاهش مصرف انرژی در فرآیند ریخته‌گری، افزایش سرعت ریخته‌گری و بهبود شرایط کار و کاهش نیروی انسانی مورد نیاز اشاره نمود.
هم‌اکنون فرآیند ریخته‌گری پیوسته یکی از فرآیندهای تجاری برای تولید حجم زیادی از فلزات به صورت اشکال ساده می‌باشد.
به طوریکه سالانه حدود ۵۰۰ میلیون تن فولاد، ۲۰ میلیون تن آلومینیوم و بیش از ۱ میلیون تن مس، نیکل و دیگر فلزات به روش ریخته‌گری پیوسته تولید می‌شوند
از قالبهای گرافیتی در فرآیند ریخته‌گری پیوسته بصورت عمودی و افقی استفاده می‌شود. بسیاری از قالبهای گرافیتی از گرافیت پرس‌شده در شرایط ایزواستاتیک ساخته می‌شوند.
در حالیکه می‌توان از گرافیت اکسترود شده در ساخت قالبهای ریخته‌گری پیوسته عمودی جهت تولید شمش‌های بزرگ استفاده نمود.
فلزاتی که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌شود را می‌توان به روش ریخته‌گری پیوسته در قالبهای گرافیتی تولید نمود:
- چدن خاکستری
- چدن سفید
- مس خالص
- آلیاژهای مس نیکل و نیکل نقره (Cu-Ni)
- آلومینیوم برنز (Cu-Al)
- برنج و برنج سرب‌دار (Cu-Zn,Cu-Zn-Pb)
- منگنز برنز (Cu-Mn)
- فسفر برنز (Cu-Zn-P)
- برنز قلع (Cu-Sn-Zn)
- سیلیکون برنز (Cu-Si-Zn)
- آلیاژهای آلومینیوم قلع (Al-Sn)
- نقره و آلیاژهای نقره (Sn)
- طلا و آلیاژهای طلا (Au)
- آلیاژهای ضرب سکه ( Cu-Ni)
گرافیت در صنایع شیشه و گرافیت
دماهای بالا و نیروهای زیاد در خط تولید شیشه و سرامیک نیاز به ساخت تجهیزات خطوط بوسیله متریال‌هایی دارد که مقاومت مناسبی در اینگونه شرایط کارکرد داشته باشند.
از کامپوزیت‌های کربنی جهت ساخت اینگونه قطعات جهت تحمل شوک‌های حرارتی و نیروهای مکانیکی در ساخت شیشه‌های تخت و توخالی استفاده می‌شود.
برخی کاربردهای گرافیت در صنایع شیشه و گرافیت
- ساخت قالب‌ها و قطعات یدکی خطوط ریخته‌گری و تولید شیشه و سرامیک
- قالب‌ها و پلانجرهای گرافیتی و کربنی برای تولید محصولات برون نیترایدی
- تجهیزات کوره برای ساخت سرامیک‌های پیشرفته
- قطعات و تجهیزات گرافیتی برای ساخت شیشه‌های خاص
گرافیت در قالبهای ریخته گری و ابزارهای مختلف
استفاده از گرافیت با گرید مناسب برای ساخت تجهیزات و ابزارهای خاص از احتیاجات مشتریان در حوزه صنعت می باشد.
از کاربردهای معمول گرافیت می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
- ساخت بوته و قالب گرافیتی
- المنت‌های حرارتی گرافیتی
- کوره‌های دما بالا
- تجهیزات فرآیندهای شیمیایی
- تجهیزات و قالب اکستروژن فلزات مذاب
- ریخته‌گری تحت فشار
- ریخته‌گری پیوسته عمودی و افقی
- ریخته‌گری گریز از مرکز
- پوشش‌های مقاوم به حرارت دیواره‌های کورهتحت خلا
از گرافیت برای ساخت الکترود جهـت ماشینکاری EDM استفاده می‌شود. در مقایسه با الکترودهای مسی EDM هزینه‌های تولید قطعه بوسیله الکترـودهای گرافیتی بسیار کمتر و کیفیت نهایی قطعه بیشتر خواهد بود.
بنابراین برای ساخت قالبهای فورج و تزریق دقیق استفاده از الکترودهای گرافیتی برای اسپارک بسیار مهم می‌باشد.
کاربرد کربن گرافیت در انرژی های نو
مواد کربن گرافیت به منظور افزایش استحکام پره‌های روتور توربین‌های بادی استفاده می‌شود. علاوه بر این کربن گرافیت به عنوان یک جزء اصلی در پیل‌های سوختی شناخته می‌شود.
برای ساخت سلول های خورشیدی فتوولتاییک از گرافیت با درصد خلوص بالا و مواد عایق تولید شده از پلی سیلیکون استفاده می شود.
برخی از گریدهای گرافیت می‌تواند به یک منبع با راندمان مناسب جهت ذخیره‌سازی انرژی گرمایی مورد استفاده قرار گیرد. شرکت‌های مختلف محصولات جدیدی را به منظور ذخیره‌سازی اینگونه انرژی بوسیله ترکیبات گرافیت با دیگر مواد ساخته‌اند.
امروزه استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع نامحدود انرژی بر هیچکس پوشیده نیست. از مواد کربن گرافیت با درصد خلوص و دانه‌بندی مناسب برای ساخت صفحات خورشیدی به منظور تولید انرژی برق استفاده می‌شود.