Важнейшее свойство связующего — способность при обжиге электродов коксоваться и прочно связывать отдельные частицы твердых углеродистых материалов между собой. В качестве связующих материалов применяют продукты сухой перегонки каменного угля — смолу и пек.

Каменноугольная смола — вязкая темно-коричневая жидкость  — смесь различных химических соединений. Ее состав и свойства чрезвычайно разнообразны и зависят от условий получения.

Каменноугольный пек — твердое блестящее черное вещество — продукт отгонки легколетучих фракций из каменноугольных смол. В зависимости от полноты отгонки пеки получают с различной температурой размягчения:

- НТП, низкотемпературный мягкий пек (40—55 °С),

- СТП, среднетемпературный (65—75 °С),

- ВТП, высокотемпературный твердый (80—100 °С).

Общая схема производства углеродистых изделий

Различные твердые углеродистые материалы поступают на завод в обычных или саморазгружающихся железнодорожных вагонах. Их разгружают и хранят в закрытых складах раздельно, исключая их смешивание. От качества хранения и подготовки углеродистых материалов в значительной степени зависит качество получаемой продукции.

Твердые углеродистые материалы сначала дробят, затем прокаливают при высокой температуре. Прокаленные углеродистые материалы поступают на среднее и тонкое измельчение, затем на классификацию по крупности. После классификации твердые углеродистые материалы поступают в сортовые бункера, затем их взвешивают (дозируют) и смешивают со связующим, в результате чего получают так называемую «сырую» углеродистую массу. На алюминиевых заводах такая углеродистая масса является готовой продукцией — анодной, подштыревой  или подовой массой — её формуют (брикетируют) и после контроля качества отгружают на склад готовой продукции.

Прессованные обожжённые изделия получают на специализированных электродных заводах, где массу прессуют на гидравлических прессах, получая так называемые «зеленые» электроды, которые затем обжигают. В процессе обжига происходит коксование связующего, т.е. образование так называемого вторичного кокса. Для получения графитированных электродов, их дополнительно нагревают до 2500 °С. Отходы (бой) электродов, образующийся при прессовании, обжиге, графитировании и механической обработке возвращают в производство (после дробления и измельчения).

Подготовка твёрдых углеродистых материалов

Подготовка твердых углеродистых материалов сводится к их дроблению, прокаливанию и размолу.

Твердые углеродистые материалы поступают на завод в кусках, их дробят в щековых дробилках до 75 мм, тем самым обеспечивая должное качество прокаливания. Более крупные куски, пройдя через печь, не успевают хорошо прокалиться, а более мелкие увеличивают угар при прокаливании. Прокаливанию подвергают все углеродистые материалы (кроме графита) для их усадки и удаления летучих веществ до 0,2%. Прокаливают при 1300— 1400° С в печах двух типов: ретортных без доступа воздуха или в ТВП.

Ретортная печь состоит из вертикальных камер (реторт), сырьё в них загружают сверху, тепло от сжигания газов ≈ 1400 °С передается материалу через стенки реторт. Время прокаливания 24—32 час. Достоинства ретортной печи:

1) использование в качестве горючего летучих веществ, выделяющихся из прокаливаемого материала;

2) получают равномерно прокаленный углеродистый материал;

3) малые потери материала за счет окисления, (угар 1—3 %), так как прокаливают практически без доступа воздуха.

Недостатки ретортных печей: большие капитальные затраты на их сооружение и сложность эксплуатации.

Вращающиеся трубчатые прокалочные печи длиной 20—45 м и диаметром 2—3 м, футерованные внутри огнеупорным материалом (шамотным кирпичом). Ось печи наклонена под углом 3 – 7 градусов к горизонту в сторону выхода материала из печи. Над печью установлен бункер, из которого материал равномерно подается в печь. При вращении печи 2—3 об/мин, прокаливаемый материал медленно движется со скоростью 1 —1,2 м/мин от загрузочного конца печи к разгрузочному, проходя зоны сушки, подогрева и прокаливания. Топливом служит мазут или природный газ, который подается в печь форсункой, установленной в разгрузочной головке печи. В отличие от ретортных печей, здесь горячие газы и пламя непосредственно соприкасаются с углеродистым материалом, причем топливом служат также летучие из углеродистых материалов и частично сам прокаливаемый материал.

Участок печи, где из углеродистого материала выделяются и сгорают летучие, называется зоной прокалки, температура достигает 1200—1300 °С. По выходе из печи материал выгружается в холодильный барабан, расположенный под печью и охлаждается до 60—75 °С пропускаемым через него воздухом, а также путем теплоотдачи через поверхность холодильного барабана, который охлаждается снаружи водой.

Вращающаяся трубчатая печь по сравнению с ретортными печами имеет следующие преимущества:

1) на содержание требуется меньше капитальных затрат;

2) проста в эксплуатации;

3) прост переход с одного вида материала на другой;

4) процесс прокаливания непрерывный,

5) возможна механизация и автоматизация процесса прокаливания.

К недостаткам этих печей следует отнести повышенный угар углеродистых материалов (до 14%) и более низкую температуру прокаливания, чем в ретортных печах.

Из углеродистых материалов полностью удаляется влага, резко снижается количество летучих веществ и повышается плотность за счет усадки (сокращения объема). Усадка кусков сопровождается распадом их на более мелкие, что предотвращает деформацию и появление трещин в готовых электродных изделиях при их обжиге. Поэтому температура прокаливания твердых углеродистых материалов всегда должна быть выше температуры, при которой ведется обжиг готовых электродных изделий. После прокаливания понижается реакционная способность углеродистых материалов к кислороду воздуха, повышается их электропроводность, теплопроводность и механическая прочность.

Прокаленный материал поступает в размольное отделение. Измельчение твердых углеродистых материалов необходимо для получения определенной крупности зерна (фракции), чтобы получать изделия с нужной пористостью и механической прочностью. Прокаленный материал измельчают в несколько приемов:

- дробление на валковых или молотковых дробилках до 25—5 мм;

- мелкий помол — от 20—5 мм до 10—0,5 мм

- тонкий помол — 0,1 мм и мельче.

Мелкий и тонкий помол осуществляют в шаровых мельницах, приэтом углеродистый материал загрязняется железом вследствие износа дробилок, мельниц и шаров, поэтому железные частицы удаляют электромагнитом.

После измельчения углеродистый материал рассеивают (классифицируют) на вибрационных грохотах по фракциям, которые поступают в сортовые бункера, а оттуда на дозировку и смешение в соответствии с принятым гранулометрическим составом (рецептом) для различных электродных изделий.

Подготовка связующего

Пек на завод на склад пека поступает в специальных железнодорожных вагонах-битумовозах с внешней паровой рубашкой. Пек в вагонах может находиться в жидком или твёрдом виде. Если пек в вагоне-бункере оказался застывшим, в паровую рубашку подводят перегретый пар и пек начинает плавиться. Вагон опрокидывают и жидкий пек сливают в обогреваемые паром цистерны- пекоплавители емкостью 50— 60 т. Пек в пекоплавителях выдерживается 2-3 суток при 110 – 120 ºC. При этом из пека удаляется влага и усредняется его состав. Вода содержится в пеке в двух видах: в капельно-жидком и в тонкораспыленном. Капельно-жидкая вода легко отделяется при расплавлении пека, распыленная же выделяется только при нагревании его до 110 °С и вызывает сильное вспенивание пека.

Дозировка и смешение шихты

В зависимости от типа изготовляемых изделий из сортовых бункеров отвешивают порошки углеродистых материалов и связующего. Эту операцию называют дозировкой. Сыпучие материалы и связующие дозируют механическим или автоматическим способом, взвешивая на весах или отмеривая материалы по объему.

Цель дозировки — обеспечить определенный гранулометрический состав, такое соотношение между размерами зерен и связующим, при котором электродное изделие получилось бы с необходимой плотностью и механической прочностью. Этого достигают, смешивая крупные зерна с мелкими. Крупные зерна образуют основу электрода, придавая ему надлежащую прочность, а более мелкие вместе со связующими веществами служат заполнителем пустот между крупными. Избыток связующего в шихте вреден, так как твердые частицы будут отделены друг от друга утолщенным слоемпека. При обжиге такой массы из-за значительной усадки пека в изделии могут образовываться пустоты и трещины.

Подбор гранулометрического состава смеси твердых материалов и соотношения его и связующего — весьма ответственная операция. В заводской практике сначала изготовляют опытные партии углеродистых изделий по той или иной рецептуре, а затем проверяют на эксплуатационную стойкость в производственных условиях.

Таблица 1 - Примерный состав шихтовых материалов, применяемых при изготовлении электродов

                                                                                                                                                   Размеры в процентах

В углеродистую массу, предназначенную для прессованных изделий, вводят меньше связующего (20—22 %), чем в анодную массу (28—33 %). Повышенное содержание связующего в анодной массе необходимо для лучшего размягчения, равномерного распределения и схватывания с предыдущей анодной массой в аноде.

Цель смешения сухих порошков со связующим — обеспечить полное соприкосновение зерен твердых углеродистых материалов со связующим и получить однородную массу с равномерным распределением в ней компонентов. Связующее должно покрыть тонкой пленкой каждую частицу твердого материала и заполнить пустоты между ними.

Твердые углеродистые материалы загружают в предварительно нагретый до 100—120 °С смеситель и перемешивают 20-30 мин., пока они не нагреются. Связующее подают в смеситель в расплавленном состоянии и перемешивают ещё 50—60 мин. По окончании смешивания готовую массу выгружают и транспортными устройствами подают на прессование. Если же в смесителях готовили анодную или подовую массу, то её формуют в брикеты, проверяют на качество, а затем транспортируют на склад.