Làm thế nào để chọn máy xay phù hợp cho sản xuất Coke dạng kim và ứng dụng trong công nghiệp?

Giới thiệu

Coke thép hình kim (needle coke) là một loại coke dầu có chất lượng cao, đặc trưng bởi hệ số giãn nở nhiệt thấp và độ dẫn điện cao. Đây là nguyên liệu quan trọng trong việc sản xuất các điện cực graphite công suất siêu cao được sử dụng trong lò điện hồ quang (electric arc furnaces – EAF) và các anốt pin lithium-ion. Quá trình sản xuất Coke thép hình kim bao gồm nhiều bước phức tạp, bao gồm cả quá trình hình thành coke và sau đó là quá trình nung (calcination). Một bước then chốt nhưng thường bị xem nhẹ trong quá trình chế biến Coke thép hình kim chính là công đoạn xay và nghiền. Việc lựa chọn thiết bị xay ảnh hưởng trực tiếp đến phân bố kích thước hạt (particle size distribution – PSD), hình thái của sản phẩm, và cuối cùng là hiệu suất của điện cực graphite hoặc linh kiện pin. Nếu lựa chọn sai thiết bị, có thể dẫn đến tiêu thụ năng lượng quá mức, chi phí bảo dưỡng cao, và sản phẩm không đáp ứng được các yêu cầu nghiêm ngặt của ngành công nghiệp.

Bài viết này cung cấp một hướng dẫn toàn diện về cách lựa chọn máy xay phù hợp nhất cho sản xuất than cốc dạng kim, bao gồm các đặc tính vật liệu quan trọng, loại máy xay, tiêu chí lựa chọn và các ứng dụng cụ thể trong ngành.

Tìm hiểu về chất liệu “Needle Coke” và những thách thức trong quá trình xử lý (đặc biệt là quá trình nghiền)

Trước khi chọn lựa máy xay, điều cần thiết là phải hiểu rõ các đặc tính đặc biệt của than cốc dạng kim (needle coke) có ảnh hưởng đến quá trình xay nhuyễn:

• Tính chất mài mòn:Coke kim loại được nung chín là một vật liệu có độ mài mòn cực kỳ cao. Độ mài mòn này khiến các bộ phận được sử dụng trong quá trình nghiền bị hao mòn nhanh chóng, do đó độ bền và khả năng chống mài mòn của máy xay trở thành yếu tố quan trọng hàng đầu cần được quan tâm.
• Phân bố kích thước hạt mong muốn (Particle Size Distribution – PSD):Để sản xuất điện cực, cần một phân bố độ rộng xung (PSD – Pulse Width Distribution) được kiểm soát chặt chẽ và thường có hai dạng khác nhau (bimodal) nhằm đạt được mật độ lấp đầy tối ưu. Các hạt mịn (hạt siêu mịn) là cần thiết để tạo sự liên kết giữa các thành phần điện cực, trong khi các hạt thô hơn lại đảm bảo độ vững chắc về cấu trúc. Trong ứng dụng pin, thường yêu cầu một phân bố độ rộng xung có kích thước hạt rất nhỏ và đồng nhất, thuộc dạng đơn mô (single-mode).
• Độ tinh khiết của sản phẩm:Nhiễm bẩn từ vật liệu mài (ví dụ: mài mòn kim loại do các quả cầu hoặc bánh xe) cần được giảm thiểu tối đa vì nó có thể ảnh hưởng tiêu cực đến các đặc tính điện và nhiệt của sản phẩm cuối cùng.
• Độ nhạy nhiệt:Mặc dù than cốc sau khi calcined (được nung chín) có độ ổn định về mặt nhiệt, việc tạo ra quá nhiều nhiệt trong quá trình xay nát cần được tránh để ngăn ngừa sự oxy hóa hoặc những thay đổi về cấu trúc vật liệu có thể xảy ra.

Các loại máy xay và khả năng phù hợp của chúng đối với sản phẩm Coke dạng kim (Needle Coke)

Có nhiều loại máy xay khác nhau được sử dụng để giảm kích thước của vật liệu carbon. Khả năng ứng dụng của chúng đối với loại cốc carbon dạng que (needle coke) phụ thuộc vào độ mịn cuối cùng mong muốn và công suất sản xuất.

1. Nhà máy Raymond (Nhà máy ly tâm bằng bánh xe)

Máy xay Raymond, hay còn gọi là máy xay bằng bánh xe, sử dụng các bánh xe được lắp đặt với lò xo để nghiền vật liệu vào một vòng cố định. Chúng là lựa chọn phổ biến cho quá trình xay từ dạng thô đến mịn vừa.

• Phạm vi đầu ra:Thông thường có mật độ lưới từ 30 đến 325 (kích thước lỗ từ 600 đến 45μm).
• Khả năng phù hợp với Needle Coke:Thích hợp cho việc nghiền thô hoặc nghiền tiếp các sản phẩm than đốt khô thành dạng hạt có độ mịn vừa phải, thường được sử dụng như bước chuẩn bị trước khi tiến hành nghiền tiếp ở độ mịn cao hơn. Các phiên bản hiện đại cung cấp hiệu suất và độ bền được cải thiện đáng kể.

2. Máy xay bóng (Ball Mill)

Máy xay bóng (ball mill) gồm một hình trụ quay chứa các vật liệu nghiền (ví dụ: các quả cầu bằng thép). Quá trình giảm kích thước diễn ra nhờ vào sự va đập và mài mòn khi các quả cầu này di chuyển từ trên xuống dưới.

• Phạm vi đầu ra:0.074-0.8mm (mắt lưới 200-20).
• Khả năng phù hợp với sản phẩm Needle Coke:Có thể sản xuất ra nhiều kích thước khác nhau, nhưng nhìn chung hiệu quả kém hơn đối với các vật liệu cứng, ma sát mạnh như coke kim. Hiện tượng mài mòn nặng ở các viên bi và lớp lót dẫn đến nhiễm sắt, điều này thường không thể chấp nhận được trong các ứng dụng yêu cầu độ tinh khiết cao. Chúng có thể được sử dụng ở những trường hợp mà độ tinh khiết cực cao không phải là mục tiêu chính và một số mức độ nhiễm sắt vẫn được chấp nhận được.

3. Mài bánh đứng (Vertical Roller Mill – VRM)

VRM ngày càng được ưa chuộng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Vật liệu được nghiền giữa một bàn quay và các bộ phận lăn dưới áp suất bên ngoài.

• Phạm vi đầu ra (Output Range):Thông thường có mật độ lưới từ 30 đến 325 mesh (kích thước hạt từ 600 đến 45μm); các thiết kế đặc biệt có thể có mật độ lưới nhỏ hơn nữa.
• Khả năng phù hợp với Needle Coke:Cung cấp hiệu suất năng lượng tốt và khả năng sấy khô khi cần thiết. Tuy nhiên, mài mòn trên bàn và các bánh xe có thể xảy ra đáng kể khi sử dụng than cốc có độ ma sát cao, dẫn đến chi phí bảo dưỡng cao, trừ khi sản phẩm được thiết kế chuyên biệt cho những ứng dụng đó.

4. Máy xay phun (Máy xay phun với lớp nền trong suốt – Jet Mill with Fluidized Bed)

Các máy xay jet sử dụng luồng khí hoặc gas nén có tốc độ cao để tạo ra quá trình nghiền thông qua va chạm giữa các hạt, trong đó không có bộ phận nào di chuyển tiếp xúc trực tiếp với vật liệu cần xay.

• Phạm vi đầu ra:Có thể đạt kích thước hạt từ 1–10μm (d97) với độ rộng phân bố độ lớn của hạt (PSD – Particle Size Distribution) rất hẹp.
• Độ phù hợp với Needle Coke:Rất phù hợp để đạt được các kích thước siêu nhỏ mà không có nguy cơ bị nhiễm kim loại. Lý tưởng cho vật liệu anốt pin có giá trị cao. Nhược điểm chính là mức tiêu thụ năng lượng cao (khí nén) và dung lượng tổng thể thấp hơn so với các máy xay cơ học.

Các tiêu chí chính để lựa chọn máy xay cốc kim loại

Khi đánh giá các nhà máy xay, hãy xem xét các yếu tố sau:

1. Độ tinh xảo đích (PSD):Xác định kích thước phần trên cần thiết cũng như định dạng tệp PSD (D50, D97). Đối với các ứng dụng yêu cầu độ mịn siêu cao (<10μm), nên sử dụng các loại máy xay bằng dòng khí hoặc các loại máy xay bằng bánh xe hiện đại.
2. Năng lực sản xuất (mỗi ngày):Phải đảm bảo công suất của nhà máy xay phù hợp với nhu cầu của nhà máy bạn. Việc sản xuất điện cực quy mô lớn đòi hỏi những nhà máy xay có dung lượng cao.
3. Hiệu quả năng lượng (kWh/t):Chi phí vận hành là một yếu tố quan trọng. Hãy so sánh mức tiêu thụ năng lượng cụ thể của các công nghệ xay khác nhau để đạt được độ mịn mong muốn.
4. Chi phí mặc và bảo trì:Đối với than cốc được sử dụng trong quá trình mài mòn, thời gian sử dụng của các bộ phận tiếp xúc với vật liệu mài (bánh xe, vòng bi, lớp lót) cùng mức độ dễ dàng trong việc thay thế chúng đóng vai trò quan trọng đối với chi phí vận hành (OPEX – Operational Expenses).
5. Kiểm soát Ô nhiễm:Hãy đảm bảo rằng thiết kế của lò xay giúp giảm thiểu tối đa sự xâm nhập của các vật liệu lạ, đặc biệt là sắt. Có thể cần phải sử dụng lớp lót bằng gốm hoặc hợp kim đặc biệt.
6. Hệ thống tích hợp và ảnh hưởng của nó:Hãy xem xét toàn bộ hệ thống, bao gồm các quá trình cung cấp nguyên liệu, nghiền, phân loại và thu gom sản phẩm. Kích thước vật lý của máy nghiền phải phù hợp với không gian có sẵn.

Giải pháp được đề xuất: Máy xay siêu mịn dòng SCM Series

Đối với các ứng dụng của chất coke từ que, nơi cần sản phẩm có độ mịn từ tốt đến siêu mịn (đặc biệt quan trọng đối với vật liệu cực dương của pin lithium-ion),Dòng máy xay siêu mịn SCM SeriesĐề xuất một giải pháp tối ưu, cân bằng giữa hiệu suất cao, độ chính xác và độ bền bỉ.

Máy xay này được thiết kế để vượt qua những thách thức trong việc xay các vật liệu cứng và mài mòn như coke loại kim (needle coke):

• Kiểm soát độ tinh xảo siêu cao:Với phạm vi độ mịn từ 325 đến 2500 mesh (45–5μm, D97), nó có thể dễ dàng đáp ứng các yêu cầu về độ mịn khắt khe trong các ứng dụng pin tiên tiến. Bộ phận phân loại bằng tuabin đứng của nó đảm bảo việc cắt độ nhỏ hạt một cách chính xác và tạo ra sản phẩm đồng nhất, không có tạp chất dạng bột thô.
• Độ bền vượt trội:Các bánh xe mài và vòng đai được chế tạo từ những vật liệu đặc biệt chống mài mòn, giúp kéo dài thời gian sử dụng đáng kể, đồng thời giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động để bảo dưỡng cũng như chi phí liên quan đến việc sử dụng than cốc dạng kim loại mài mòn.
• Hiệu suất cao và tiêu thụ năng lượng thấp:Nguyên lý xay mới mẻ này mang lại công suất gấp đôi so với máy xay jet, đồng thời giảm mức tiêu thụ năng lượng lên đến 30%, từ đó trực tiếp làm giảm chi phí vận hành.
• Tuân thủ quy định về môi trường:Buồng nghiền được khép kín hoàn toàn cùng hệ thống thu bụi hiệu quả giúp lượng bụi thải luôn ở mức thấp hơn nhiều so với các tiêu chuẩn quốc tế, từ đó bảo vệ môi trường làm việc và môi trường xung quanh. Mức độ ồn cũng được kiểm soát ở mức thấp (≤75dB).

Đối với một dây chuyền sản xuất có công suất lớn chuyên sản xuất than cốc dùng làm chất liệu cho điện cực,Dòng máy xay hình bậc thang MTW SeriesĐây là một lựa chọn tuyệt vời khác. Thiết bị này có thể xử lý các loại vật liệu có kích thước lớn (lên đến 50mm) và được thiết kế với cấu trúc bền chắc, tích hợp các tính năng như cuốc chịu mài mòn và ống dẫn khí cong, giúp giảm tổn thất năng lượng, đảm bảo hiệu suất ổn định trong các giai đoạn nghiền từ độ thô đến độ mịn vừa phải.

Ứng dụng trong công nghiệp: Từ điện cực đến pin

Công nghệ mài được chọn này trực tiếp hỗ trợ các ứng dụng quan trọng trong ngành công nghiệp:

• Điện cực graphit dùng cho lò nung điện (EAF – Electric Arc Furnace):Loại keo dùng để liên kết các phần của điện cực cần sử dụng bột coke mịn để tạo thành hỗn hợp đồng nhất. Một hệ thống sản xuất bột coke (PSD – Powder Particle Size Distribution) ổn định từ nhà máy đáng tin cậy sẽ đảm bảo độ đặc cao và độ bền cho điện cực sau quá trình ép đùn, từ đó nâng cao hiệu suất và thời gian sử dụng của điện cực trong lò.
• Cực dương của pin lithium-ion:Coke kim (needle coke) là một giải pháp thay thế hiệu quả về mặt chi phí so với graphite tổng hợp. Trong quá trình sản xuất, việc xay mịn cực kỳ kỹ lưỡng (thông thường đến cấp độ D50 – 15–20μm) là yếu tố then chốt để tạo ra diện tích bề mặt và cấu trúc phù hợp nhằm tăng hiệu quả quá trình hấp thụ lithium. Độ tinh khiết cao, đạt được nhờ vào các loại máy xay không gây nhiễm bẩn như dòng SCM, đóng vai trò quan trọng đối với tuổi thọ và độ an toàn của pin.
• Các loại carbon chuyên dụng và phụ gia:Coke thép cũng được sử dụng trong các ứng dụng khác như vật liệu ma sát, chất đầy dẫn điện và vật liệu composite trong ngành hàng không vũ trụ, nơi mà các đặc tính riêng biệt của nó rất được đánh giá cao.

Kết luận

Việc lựa chọn máy xay phù hợp không phải là quyết định mang tính chất “one-size-fits-all” (phù hợp với tất cả mọi trường hợp) đối với sản xuất than cốc dạng que (needle coke). Điều này đòi hỏi phải phân tích kỹ lưỡng các yêu cầu về sản phẩm đầu ra, khối lượng sản xuất và tổng chi phí vận hành. Mặc dù các loại máy xay truyền thống như máy xay Raymond và máy xay Ball vẫn còn có vai trò quan trọng, nhưng những yêu cầu ngày càng cao của các ứng dụng hiện đại, đặc biệt trong lĩnh vực pin, đang thúc đẩy việc sử dụng những công nghệ tiên tiến hơn, hiệu quả hơn và bền hơn như máy xay siêu mịn SCM Ultrafine Mill. Bằng cách đầu tư vào công nghệ xay phù hợp, các nhà sản xuất có thể đảm bảo cung cấp sản phẩm than cốc dạng que chất lượng cao, đáp ứng đúng nhu cầu đặc biệt của ngành điện cực và ngành pin, từ đó tối ưu hóa cả hiệu suất sản phẩm lẫn lợi nhuận hoạt động.