گرافیت گاهی «الماس صنعت فولاد» خوانده می‌شود و به دلیل ترکیب بی‌نظیر خواص فیزیکی و شیمیایی‌اش، جزئی جدایی‌ناپذیر در متالورژی و صنعت فولاد است.
این محصول به عنوان یکی از آلوتروپ‌های کربن، نقش حیاتی در صنایع مختلف، به ویژه متالورژی و تولید فولاد ایفا می‌کند. پیشرفت در فناوری تولید گرافیت با خلوص بالاتر و مقاومت حرارتی بهتر، می‌تواند بازدهی فرآیندهای متالورژی را افزایش دهد.
گرافیت به دلیل ساختار لایه‌ای، رسانایی حرارتی و الکتریکی بالا، مقاومت به شوک حرارتی و خواص روانکاری طبیعی، به یک جزء کلیدی در فرآیندهای متالورژی تبدیل شده است. در این مقاله، با بهره‌گیری از دانش متخصصان شرکت «تامین آلیاژ کارا صنعت»، به بررسی ساختار گرافیت، انواع آن و کاربردهای گسترده آن در صنعت فولاد می‌پردازیم.
گرافیت از اشکال بلورین کربن است
گرافیت یکی از اشکال بلوری کربن است که به دلیل پیوندهای کووالانسی قوی درون لایه‌ای و پیوندهای واندروالسی ضعیف بین لایه‌ای، خواص منحصر به فردی دارد. این ماده در طبیعت یافت می‌شود (گرافیت طبیعی) یا از طریق فرآیندهای صنعتی مانند گرافیت‌سازی کک (گرافیت مصنوعی) تولید می‌گردد.
گرافیت دارای دو ساختار اصلی شامل «گرافیت هگزاگونال» و «گرافیت رمبوئدرال» است. گرافیت هگزاگونال متداول‌ترین فرم با لایه‌های منظم کربن است و گرافیت رمبوئدرال نیز با آرایش متفاوت لایه‌ها همراه است که به ندرت یافت می‌شود.
این گرافیت‌ها از نظر منشأ نیز به دو دسته شامل گرافیت طبیعی و گرافیت مصنوعی تقسیم می‌شوند. گرافیت طبیعی همراه با ناخالصی‌هایی مانند سیلیس و اکسیدهای فلزی از معدن استخراج می‌گردد و گرافیت مصنوعی از مواد کربنی مانند کک پترولیوم یا زغال سنگ، با خلوص بالاتر تولید می‌شود.
کاربرد گرافیت در صنعت فولاد
گرافیت در مراحل مختلف تولید فولاد، از جمله ذوب، ریخته‌گری و عملیات حرارتی به کار گرفته می‌شود. یکی از مهمترین کاربردهای آن استفاده از الکترودهای گرافیتی در کوره‌های قوس الکتریکی است.
الکترودهای گرافیتی به دلیل رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت در برابر دمای شدید (حدود ۳۵۰۰ درجه سانتیگراد)، برای ذوب قراضه‌های فولادی در کوره‌های قوس الکتریکی ضروری هستند. این الکترودها حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد از گرافیت مصنوعی مصرفی در صنعت فولاد را به خود اختصاص می‌دهند.
همچنین آجرهای نسوز منیزیت-کربن (MgO-C) و دولومیت-کربن (Dolomite-C) در پاتیل‌ها و کنورتورهای فولادسازی استفاده می‌شوند. گرافیت با کاهش ترک‌خوردگی ناشی از شوک حرارتی، عمر نسوزها را افزایش می‌دهد.
گرافیت به عنوان روانکار در قالب‌های ریخته‌گری فولاد (به ویژه در تولید شمش و بیلت) کاربرد دارد و از چسبیدن فولاد مذاب به دیواره قالب جلوگیری می‌کند و سطحی صاف برای محصول نهایی فراهم می‌سازد.
در فولادهای کربنی، گرافیت به عنوان منبع کربن برای افزایش سختی‌پذیری فولاد افزوده می‌شود. یکی دیگر از کاربردهای آن تولید فروآلیاژهاست، به طوری که در تولید فروسیلیس و فروکروم، گرافیت به عنوان ماده کاهنده اکسیدهای فلزی عمل می‌کند.
چالش‌ها و راهکارها
گرافیت مصنوعی هزینه بسیار بالایی دارد و راهکار مقابله با این چالش، توسعه روش‌های بازیافت الکترودهای مستعمل است. همچنین گرافیت به اکسیداسیون حساسیت دارد که برای رفع آن می‌توان از پوشش‌دهی الکترودها با مواد ضد اکسید مانند آلومینا استفاده کرد.
کشورهای پیشرو در تولید گرافیت و نقش آنها در بازار جهانی
کشورهای مختلفی در استخراج گرافیت طبیعی یا تولید گرافیت مصنوعی فعال هستند که برخی از آنها نقش کلیدی در تأمین نیاز صنایع جهانی، به ویژه فولاد، باتری‌های لیتیومی و صنایع نسوز ایفا می‌کنند.
چین بخش اعظمی از گرافیت طبیعی جهان را استخراج می‌کند
گرافیت طبیعی عمدتاً در کشورهای چین، موزامبیک، برزیل، ماداگاسکار و چندین کشور دیگر استخراج می‌شود. چین سهم ۶۵ تا ۷۰ درصدی در تولید گرافیت طبیعی دارد که بیشترین میزان آن از نوع پولکی است و برای باتری‌ها و صنایع پیشرفته حیاتی به کار گرفته می‌شود.
موزامبیک با سهم ۱۰ تا ۱۵ درصدی از تولید گرافیت طبیعی، رقیب نوظهور برای چین محسوب می‌شود. چین و استرالیا از بزرگترین سرمایه‌گذاران در استخراج گرافیت این کشور هستند.
برزیل با سهم ۸ تا ۱۰ درصدی از استخراج گرافیت طبیعی جهان، گرافیت با کیفیت بالا تولید می‌کند که در صنایع متالورژی و روانکارها کاربرد دارد. ماداگاسکار نیز با ۵ تا ۷ درصد از استخراج گرافیت جهان، در رتبه بعدی قرار دارد. علاوه بر این کشورها، هند، کره شمالی، کانادا و روسیه هم گرافیت طبیعی استخراج می‌کنند.
چین در تولید گرافیت مصنوعی هم پیشگام است
گرافیت مصنوعی عمدتاً از کک پترولیوم یا زغال‌سنگ تولید می‌شود و کشورهای چین، هند، آمریکا، ژاپن و کره جنوبی در این زمینه پیشرو هستند.
چین به عنوان بزرگترین تولیدکننده گرافیت مصنوعی، حدود ۵۵ درصد از تولید جهان را در اختیار دارد که کاربرد اصلی آن در فولادسازی است.
چالش‌های جهانی تولید گرافیت
انحصار چین و وابستگی جهانی به این کشور در تأمین گرافیت (هم طبیعی، هم مصنوعی) یکی از بزرگترین چالش‌های تولید گرافیت در سطح جهانی است. همچنین تولید این محصول با مسائل زیست‌محیطی و محدودیت‌های تجاری برخی کشورها از جمله کره شمالی روبرو است.
آینده بازار گرافیت
با توجه به کاربرد گرافیت در باتری‌های لیتیومی خودروهای الکتریکی و رشد روزافزون استفاده از این نوع خودروها، افزایش تقاضا در آینده قابل پیش‌بینی است.
بر همین اساس، کشورهای جدید مانند تانزانیا و نامیبیا در حال کشف ذخایر گرافیت هستند. همچنین تلاش اروپا و آمریکا برای کاهش وابستگی به چین آغاز شده است. پیش‌بینی می‌شود در آینده‌ای نه چندان دور، رقابت بر سر منابع گرافیت تشدید خواهد شد.
تامین آلیاژ کارا صنعت از شرکت‌های زیرمجموعه آراز فولاد رونیکاست و این شرکت مادر نیز مدیریت انبار عظیمی را بر عهده دارد و در زمینه تامین ضایعات آهن با کیفیت شناخته شده است.
