炭素工藝學(xué)講述

1、炭素材料的制備原料1、石油焦2、瀝青焦3、冶金焦4、無煙煤5、煤瀝青6、其他輔助原料1、石油焦石油焦是石油煉制過程中的副產(chǎn)品。石油經(jīng)過常壓或減壓蒸餾，分別得到汽油、煤油、柴油和蠟油，剩下的殘余物稱為渣油。將渣油進(jìn)行焦化便得到石油焦。因而石油焦的性質(zhì)主要取決于渣油的種類。石油焦是生產(chǎn)各種炭素材料的主要原料。這種焦炭灰分比較低，一般小于1。石油焦在高溫下容易石墨化。石油焦的特性對炭素材料的性能有很大影響。延遲焦化是將原料經(jīng)深度熱裂化轉(zhuǎn)化為氣體烴類，輕、中質(zhì)餾分油及焦炭的加工過程。原料一般是深度脫鹽后的原油經(jīng)減壓蒸餾所得的渣油。有時(shí)在減壓渣油中配有一定比例的熱裂化渣油或頁巖油。（1）焦化反應(yīng)石油焦是

2、由渣油經(jīng)過焦化工藝而制得的產(chǎn)品。渣油的組成很復(fù)雜。渣油與原油同樣都是由各種烴類和烴類化合物組成的。在渣油中還有瀝青質(zhì)組分。它與瀝青焦有相似之處，但它含有較多氧、氮、硫。在重柴油餾分中瀝青質(zhì)脫去一個(gè)脂族基便能轉(zhuǎn)化為樹脂質(zhì)。樹脂質(zhì)和瀝青質(zhì)在高溫下會進(jìn)行縮聚反應(yīng)，最后可得焦炭。渣油的焦化反應(yīng)可歸納為：1) 渣油中的樹脂質(zhì)瀝青質(zhì)焦炭2) 渣油中的芳香烴等高分子縮聚物樹脂質(zhì)瀝青質(zhì)焦炭3) 渣油中的烷烴、環(huán)烷烴、帶長側(cè)鏈稠環(huán)芳香烴高分子縮聚物樹脂質(zhì)瀝青質(zhì)焦炭（2）石油焦的分類根據(jù)石油焦結(jié)構(gòu)和外觀，石油焦產(chǎn)品可分為針狀焦、海綿焦、彈丸焦和粉焦4種。根據(jù)硫含量的不同，可分為高硫焦和低硫焦。 石油焦按照硫含量、

3、揮發(fā)分和灰分等指標(biāo)的不同,分為3個(gè)牌號,每個(gè)牌號又按質(zhì)量分為、兩種。 根據(jù)原料渣油的不同，石油焦又分為裂化石油焦、常減壓石油焦和頁巖石油焦2、瀝青焦瀝青焦是一種含灰分和硫分均較低的優(yōu)質(zhì)焦炭，它的顆粒結(jié)構(gòu)致密，氣孔率小，揮發(fā)分較低，耐磨性和機(jī)械強(qiáng)度比較高，其來源是以煤瀝青為原料，采用高溫干餾（焦化）的方式制備而得。瀝青焦雖然也是一種易石墨化焦，但與石油焦相比，經(jīng)過同樣的高溫石墨化后，真密度略低，且電阻率較高、線膨脹系數(shù)較大。瀝青焦是生產(chǎn)鋁用炭素陽極和陽極糊的原料，也是生產(chǎn)石磨電極、電炭制品的原料。生產(chǎn)瀝青焦的原料是中溫瀝青和高溫瀝青，高溫瀝青是中溫瀝青在氧化釜中用熱空氣氧化而成。高溫瀝青粘度大，

4、裝爐溫度較高，揮發(fā)分含量小，有利于裝爐操作。由于瀝青焦成焦溫度較高，達(dá)到13001350，所以不經(jīng)煅燒也可以直接使用。但瀝青焦從煉焦?fàn)t中推出后采用澆水熄火，一般水分含量大，所以在生產(chǎn)中它與石油焦一起按比例混合后進(jìn)行煅燒。瀝青焦生產(chǎn)（1）爐室法（2）延遲焦化法3、冶金焦冶金焦是用幾種煉焦煤按一定配比在焦?fàn)t中高溫干餾焦化而得到的一種固體殘留物。生產(chǎn)冶金焦以煉焦煤為主，適當(dāng)配入部分肥煤、氣煤和瘦煤。首先將選好的煉焦煤破碎和粉碎，然后按一定比例進(jìn)行配煤，混合均勻后送入貯煤塔，通過裝煤機(jī)將塔中原料煤定量從爐頂裝入焦?fàn)t炭化室。原料煤在炭化室內(nèi)處于高溫干餾狀態(tài)。從裝煤到出焦的生產(chǎn)周期約15h左右。當(dāng)焦餅中心

5、溫度達(dá)到9501050時(shí)，即可推焦出焦，送到熄焦塔用水熄焦(或干法熄焦)。冷卻后的冶金焦最后經(jīng)篩選分級，檢驗(yàn)入庫。冶金焦是生產(chǎn)各種炭塊和電極糊的主要原料，此外還可用作為焙燒的填充料、石墨化的保溫料和電阻料。冶金焦的特點(diǎn)：灰分含量較高，一般為1015%，揮發(fā)分含量為1%左右，不易石墨化。對于炭素生產(chǎn)來說，冶金焦的灰分應(yīng)盡可能低一些。炭素生產(chǎn)用冶金焦的質(zhì)量指標(biāo)：灰分：135；硫分：08；揮發(fā)分：12；水分：4.0。4、無煙煤煤是古代植物埋藏在地下，在細(xì)菌作用及一定的溫度和壓力下逐漸變質(zhì)而得到的含碳量很高的礦物。按變質(zhì)程度排列，自然界中有泥炭、褐煤、煙煤和無煙煤。變質(zhì)程度越高，則煤的含碳量越高，顏色

6、逐漸變深，密度逐漸增大，硬度和光澤也逐漸增強(qiáng)。無煙煤是變質(zhì)程度較深的一種煤，含碳量一般在90以上。它的特點(diǎn)是：有機(jī)質(zhì)含量少、結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度較高、發(fā)熱量較高，是生產(chǎn)冶金用炭塊、炭電極（如鋁電解槽陰極）和電極糊料的原料。無煙煤是生產(chǎn)炭素材料的主要原料，但是并不是所有的無煙煤都可以作為生產(chǎn)炭素材料的生產(chǎn)原料，能作生產(chǎn)炭素材料的無煙煤必須具有以下條件：（1）灰份含量要低?；曳趾扛叩臒o煙煤生產(chǎn)出的炭素制品質(zhì)量將會降低，因?yàn)闊o煙煤中的灰分將全部轉(zhuǎn)移到炭素材料中，在一定程度上降低炭素材料的質(zhì)量。生產(chǎn)陰極炭塊和高爐炭塊的無煙煤灰份要求在8以下；生產(chǎn)電極糊的無煙煤灰分應(yīng)小于10。（2）機(jī)械強(qiáng)度要高。機(jī)械強(qiáng)度較

7、高的優(yōu)質(zhì)無煙煤經(jīng)煅燒后，仍能保持原來的塊狀，說明強(qiáng)度仍然很高，這樣的煤熱穩(wěn)定性能好，是生產(chǎn)炭素制品所要求的主要特性之一。只有原料的機(jī)械強(qiáng)度高，才能制造出機(jī)械強(qiáng)度高的炭素制品。（3）熱穩(wěn)定性要高。有的無煙煤在煅燒后容易裂成小塊，強(qiáng)度降低，這樣的無煙煤熱穩(wěn)定性不好。有的無煙煤在煅燒以后，仍然保持原來的塊狀，機(jī)械強(qiáng)度仍然很高，這樣的無煙煤熱穩(wěn)定性好。（4）硫分要少。若無煙煤中含硫量過多，不僅燃燒時(shí)放出SO2氣體污染環(huán)境，而且容易引起無煙煤塊爆裂。5、煤瀝青煤瀝青是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品。煙煤在煉焦?fàn)t中受高溫作用發(fā)生熱分解，得到三種產(chǎn)物：焦炭；煤氣；煤焦油。一噸干煙煤可得到720780kg焦炭，150190

8、m3煤氣，2542kg煤焦油。其中煤焦油是生產(chǎn)煤瀝青的原料，煤焦油再經(jīng)過蒸餾得到的殘?jiān)闶敲簽r青。（1）煤瀝青在炭素材料中的作用煤瀝青是生產(chǎn)炭素材料的粘結(jié)劑和浸潤劑。它能很好的浸潤和滲透到各種焦炭及無煙煤的表面和孔隙。并使各種配入的顆?；ハ嗾辰Y(jié)形成具有良好的塑性狀態(tài)的糊料。糊料成型或壓型后的陽極炭塊或陰極炭塊，經(jīng)冷卻后即硬化，并保持成型時(shí)的形狀。生陽極炭塊或陰極炭塊在焙燒時(shí)煤瀝青逐漸分解并炭化，把四周的骨料牢固的連接在一起，獲得數(shù)量多的、高強(qiáng)度的，在骨料顆粒間起連結(jié)作用的由瀝青生成的焦炭。（2）煤瀝青的組分煤瀝青是多種高分子碳?xì)浠衔锏幕旌象w。一般難于從煤瀝青中提取單獨(dú)的具有一定化學(xué)組成的物質(zhì)

9、，而只能用不同的溶劑去萃取煤瀝青，將它分離為若干組分。在炭素材料工業(yè)中，現(xiàn)在一般采用苯（或甲苯）和喹啉兩種溶劑將煤瀝青萃取分為三個(gè)組分：甲苯不溶物 (TI)甲苯可溶物 (TS，或 樹脂)甲苯 喹啉可溶物 (TI-QS或， 樹脂)喹啉煤瀝青 (CTP)喹啉不溶物 (QI，或 樹脂 )（3）煤瀝青的性能表征衡量煤瀝青的性能，一般通過軟化點(diǎn)、粘度、密度與結(jié)焦殘?zhí)苛?、加熱后的氣體析出曲線等表示。1）軟化點(diǎn)（SP） 煤瀝青的軟化點(diǎn)是以一定軟化程度相應(yīng)的溫度來表示。應(yīng)與瀝青中各組分的比例有關(guān)。隨著軟化點(diǎn)上升，其苯或甲苯不溶物含量增加，組分有增加趨勢，組分含量減少。軟化點(diǎn)是煤瀝青最重要的物理性質(zhì)之一，軟化點(diǎn)

10、在75以下的稱為軟瀝青，軟化點(diǎn)在7590之間的稱為中溫瀝青，軟化點(diǎn)在90以上的稱為高溫瀝青。瀝青軟化點(diǎn)高，則揮發(fā)分含量少，焙燒后殘?zhí)苛看螅破窓C(jī)械強(qiáng)度高，但瀝青熔化、混捏和成型都需要高一些的溫度。2）粘度瀝青粘度隨溫度而變化，加熱到較高溫度后，粘度急劇降低。粘度既取決于溫度，又取決于瀝青本身的特性，在同樣的溫度下不同產(chǎn)地的瀝青粘度可以相差數(shù)倍。粘度和軟化點(diǎn)都代表瀝青的可塑性，影響著炭素生產(chǎn)中糊料的混捏和成型。一般炭素生產(chǎn)只需測定瀝青在100200范圍內(nèi)的粘度。3）瀝青的密度煤瀝青的密度反映了它的含氫量或碳?xì)湓颖?，煤瀝青的密度大，則混捏時(shí)填充在骨料顆粒間的瀝青量也多，焙燒后制品密度高，機(jī)械強(qiáng)度

11、大。煤瀝青的密度與其苯不溶物含量及揮發(fā)分含量密切相關(guān)，一般中溫瀝青密度約為1.21.25g/cm3，高溫瀝青的密度可達(dá)1.30g/cm3以上。4）結(jié)焦殘?zhí)恐禐r青的結(jié)焦殘?zhí)恐凳窃u價(jià)煤瀝青質(zhì)量的重要依據(jù)，它與瀝青的揮發(fā)分含量密切相關(guān)，高軟化點(diǎn)瀝青結(jié)焦殘?zhí)恐蹈?。瀝青的結(jié)焦殘?zhí)恐颠€與生制品焙燒時(shí)的升溫速度有關(guān)，慢速升溫有利于提高殘?zhí)苛?。對于提高炭和石墨制品的密度和機(jī)械強(qiáng)度而言，希望煤瀝青的結(jié)焦殘?zhí)恐当M可能高一些。在一般工藝條件下，中溫瀝青的結(jié)焦殘?zhí)恐禐?4%左右，而高溫瀝青的結(jié)焦殘?zhí)恐祫t約為60%。5）瀝青的氣體析出量在加熱過程中，瀝青的氣體析出量并不均勻，軟化點(diǎn)不同的瀝青，氣體析出量也不同。對于軟化

12、點(diǎn)為83、100、134的瀝青，最大氣體析出量的溫度范圍分別為330480；330480和330510。煤瀝青在加熱過程中的氣體析出曲線對制定焙燒升溫曲線關(guān)系很大，因?yàn)樵谀承囟入A段，揮發(fā)分劇烈排出，所以要放慢升溫速度，否則易產(chǎn)生裂紋廢品。煤瀝青的氣體析出曲線與其軟化點(diǎn)高低有關(guān)。煤瀝青在加熱過程中的氣體析出曲線對制定焙燒升溫曲線關(guān)系很大，因?yàn)樵谀承囟入A段，揮發(fā)分劇烈排出，所以要放慢升溫速度，否則易產(chǎn)生裂紋廢品。（4）煤瀝青的炭化煤瀝青是一大群稠環(huán)芳烴化合物及其衍生物的混合物，其中已經(jīng)確認(rèn)出的化合物已有幾百種之多，因此煤瀝青的炭化過程相當(dāng)復(fù)雜。煤瀝青炭化時(shí)，隨著熱處理溫度的升高，將發(fā)生如圖所示

13、的多階段化學(xué)反應(yīng)。這些反應(yīng)可以概括為兩類：前期以熱分解反應(yīng)為主，后期以熱縮聚反應(yīng)為主，隨著縮合環(huán)數(shù)增多，稠環(huán)芳烴的熱穩(wěn)定性則增高。（5）改質(zhì)瀝青改質(zhì)瀝青(又稱高軟化點(diǎn)瀝青或高溫瀝青或硬瀝青)。由于它具有一系列的優(yōu)異特性越來越受到國內(nèi)外同行們的重視。世界各國炭-石墨制品所用粘結(jié)劑由改質(zhì)瀝青來替代中溫瀝青已達(dá)到普及的程度。國內(nèi)改質(zhì)瀝青生產(chǎn)方法：主要采用高溫?zé)峋鄯?間歇加壓式、連續(xù)常壓式和常壓間歇式)和閃蒸法二種工藝。改質(zhì)瀝青作為粘結(jié)劑的特點(diǎn)1)結(jié)焦殘?zhí)恐蹈?，焙燒時(shí)可生成更多的粘結(jié)焦，制品的機(jī)械強(qiáng)度高。2)軟化點(diǎn)高，夏天運(yùn)輸和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸問題易于解決。3)混捏成型過程中瀝青逸出的煙氣較少，可減輕環(huán)境污

14、染。4)瀝青熔化溫度、混捏溫度高于中溫瀝青。5)改質(zhì)瀝青含有較多的樹脂和次生QI，具有較高的熱穩(wěn)定性，有利于提高炭和石墨制品的質(zhì)量。（6）煤瀝青對鋁用炭素陽極質(zhì)量的影響煤瀝青不僅是陽極材料的重要組成部分，而且其浸潤性、流動性、可塑性、滲透性、結(jié)焦性和穩(wěn)定性，尤其是金屬微量元素(灰分)的含量及適宜的使用條件對炭陽極質(zhì)量影響很大。但是，由于煤瀝青組成和特性的復(fù)雜和可變性，所以很難嚴(yán)格區(qū)分單一瀝青組分或特性對炭陽極質(zhì)量的決定影響。如瀝青的甲苯不溶物組分(BI)、喹啉不溶物組分（QI）和組分，在溶體中可形成均勻分散的膠體，參與形成焦炭粘結(jié)網(wǎng)格，成焦率高，致密，使焙燒體強(qiáng)度大為提高，在干料混合體孔隙度大

15、時(shí)不溶性組分顯得更為重要。但是不溶性組分過高，不利于瀝青的濕潤性、吸附性，反而會降低制品的強(qiáng)度等，尤其是QI過低，會使糊料分層，偏析，造成自焙槽陽極斷層和陽極塊焙燒裂紋；但QI過高，不僅使糊料粘結(jié)性能差，而且在BI一定情況下，會降低組分(BI-QI= 組分)。與QI相匹配的條件是，在SP一定時(shí)，瀝青中QI含量每增加1，混捏溫度需增加23，或延長混捏時(shí)間、增加瀝青量或添加活性劑。瀝青的灰分，尤其灰分中的金屬元素，是炭陽極與C02和空氣反應(yīng)的催化劑，對陽極極為有害。6. 炭素制品的其它輔助原料（1）煤焦油煤焦油是煉焦時(shí)的副產(chǎn)品，它是黑色粘稠液體，也是多種碳?xì)浠衔锏幕旌衔铩拿航褂椭锌梢蕴釤挸錾习?/p>

16、種有機(jī)化合物。在鋁用陰極材料(冷搗糊)生產(chǎn)中經(jīng)過脫水后的煤焦油用來調(diào)整煤瀝青的軟化點(diǎn)。一般中瀝青的軟化點(diǎn)為7590，而冷搗糊使用粘結(jié)劑的軟化點(diǎn)只有1530，這就要選用性能相近的不同粘結(jié)劑進(jìn)行適宜的混兌方法解決這一問題。通過在中溫瀝青中加入量為5569煤焦油，混合粘結(jié)劑軟化點(diǎn)可達(dá)冷搗糊對其軟化點(diǎn)的要求范圍。冷搗糊適宜的混合粘結(jié)劑的配比為： 煤瀝青：煤焦油(40±5)(60±5)煤焦油的質(zhì)量指標(biāo)為： 比重1.161.20；灰分不大于0.2；水分不大于0.2；游離碳含量：59。（2）炭黑在機(jī)械用炭制品、電刷和石墨化爐保溫材料方面，需要不少炭黑料。炭黑料是有機(jī)物不完全燃燒的產(chǎn)物，其

17、種類依所用原料與制造方法不同而異：1） 瓦斯槽黑是以天然氣為原料而制得的。2） 混合槽黑是用煤焦油蒸餾產(chǎn)物與煤氣或天然氣混合而制得的。3） 滾筒炭黑是以液態(tài)碳?xì)浠衔锖兔簹饣旌现频玫摹?）高耐磨爐黑是用液態(tài)碳?xì)浠衔餅樵现频玫摹?） 燈煙黑是用液態(tài)碳?xì)浠衔餅樵现频玫摹?） 熱解炭黑是在熱解爐中讓天然氣轉(zhuǎn)化為炭黑。炭黑是生產(chǎn)硬質(zhì)電化石墨電刷和弧光碳棒的主要原料之一。由于它具有極細(xì)的粒度，碳原子排列不規(guī)則，顆粒大部分為球狀，而且純度較高，故用炭黑為主要原料制造的產(chǎn)品具有下列特點(diǎn)：各向同性，電阻系數(shù)大，機(jī)械強(qiáng)度高、純度高等，在制造高密度制品時(shí)，可加入少量炭黑，用它來填充焦碳顆粒間的微小空隙。（

18、3）天然石墨天然石墨是一種非金屬礦物，大量用于電炭行業(yè)生產(chǎn)各種電刷、耐磨材料和石墨坩堝等。在自然界，純粹的天然石墨極少以單體存在，一般都以石墨生巖、石墨生麻巖、全石墨的生巖及變質(zhì)巖等礦物出現(xiàn)。生巖石墨依結(jié)晶形態(tài)分成晶質(zhì)石墨和土狀石墨兩類。1）晶質(zhì)石墨石墨晶體直徑大于l微米的鱗片狀和塊狀石墨稱為晶質(zhì)石墨。2）土狀石墨土狀石墨又稱隱晶質(zhì)或非晶質(zhì)石墨，其晶體直徑小于l微米，是微晶石墨的結(jié)合體，只有在電子顯微鏡下才能看到晶形。這種石墨表面呈土狀，缺乏光澤，潤滑性也差。這種石墨礦品位較高，一般達(dá)6080，少數(shù)到90以上，但礦石的可選性差。（4）蒽油蒽油是煤焦油加熱蒸餾到270360之間蒸發(fā)出來冷凝后得到

19、的褐色粘稠液體，產(chǎn)量占煤焦油量的20左右。蒽油的使用目的與煤焦油相同，也是為了降低煤瀝青的軟化點(diǎn)或粘度。蒽油對中溫瀝青軟化點(diǎn)的影響作用比煤焦油大，達(dá)同一軟化溫度僅是煤焦油加入量的一半。冷搗糊生產(chǎn)混合粘結(jié)劑的配比為煤瀝青蒽油(70±2)(30±2)進(jìn)行混合就可達(dá)到冷搗糊對其軟化點(diǎn)的要求。也有在生產(chǎn)冷搗糊時(shí)煤瀝青：蒽油：煤焦油20575的混合粘結(jié)劑的配比，其目的卻是為了使粘結(jié)劑的軟化點(diǎn)調(diào)整到適合生產(chǎn)要求范圍之內(nèi)生產(chǎn)出揮發(fā)分含量適中，粘結(jié)能力強(qiáng)，結(jié)焦率高，質(zhì)量好的冷搗糊產(chǎn)品。蒽油的質(zhì)量指標(biāo)：比重：1.11.15；苯不溶物：05；水分：1.5；分餾成分：210以下不大于10，235

20、以下不大于25，360以下不大于60。石油焦煅燒工藝及設(shè)備1.碳質(zhì)原料在隔絕空氣的條件下進(jìn)行高溫（12001500）熱處理的過程稱為煅燒。2. 原料煅燒目的（1）排除原料中的水分和揮發(fā)份炭素原料通常都含有一定數(shù)量的揮發(fā)份，原料經(jīng)過煅燒可排除其中的揮發(fā)份，從而提高原料的固定碳含量。炭素原料一般都含有310的水份，通過煅燒排除原料中的水份，有利于破碎、篩分及磨粉等作業(yè)的進(jìn)行，提高碳素原料對粘結(jié)劑的吸附性能，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。（2）提高原料的密度和機(jī)械強(qiáng)度炭素材料經(jīng)過煅燒，由于揮發(fā)份的排除，體積收縮，密度增大，強(qiáng)度提高，同時(shí)獲得較好的熱穩(wěn)定性，從而減少制品在煅燒時(shí)產(chǎn)生二次收縮。原料煅燒越充分，對

21、產(chǎn)品質(zhì)量就越有利。（3）改善原料的導(dǎo)電性能。炭素原料經(jīng)過煅燒后排除了揮發(fā)份，同時(shí)分子結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，電阻率降低從而提高了原料的導(dǎo)電性。一般來說，原料煅燒程度越高，煅后料的導(dǎo)電性越好，對生產(chǎn)制品的質(zhì)量越有利。（4）提高原料的抗氧化性能。炭素原料經(jīng)過煅燒，隨著溫度的升高，通過原料的熱解和聚合過程，氫、氧、硫等雜質(zhì)相繼排出，化學(xué)活性下降，物理化學(xué)性質(zhì)趨于穩(wěn)定，從而提高了原料的抗氧化性能。3.煅燒前后焦炭物理化學(xué)性質(zhì)的變化 （1）原料的電阻率變化（2）原料的真密度變化各種碳質(zhì)原料煅燒后的真密度都有較大程度的提高，特別是各種石油焦的真密度，從煅燒前的1.421.61g/cm3，提高到2.002.12g/

22、cm3，提高了約40%。（3）原料的抗抗氧化性變化隨著煅燒溫度的提高，碳質(zhì)原料所含雜質(zhì)逐漸排除，降低了碳質(zhì)原料的化學(xué)活性。同時(shí)，在煅燒過程中碳質(zhì)原料熱解逸出的碳?xì)浠衔镌谠项w粒表面和孔壁沉積一層致密有光澤的熱解炭膜，其化學(xué)性能穩(wěn)定，從而提高了煅后料的抗氧化性能。（4）原料的體積（密度）變化所有碳質(zhì)原料煅燒后體積都有所收縮，但收縮程度不一樣，原料揮發(fā)分含量大并在煅燒過程中逸出量多，則其體積收縮大。例如，成焦溫度比較低的石油焦在煅燒過程中體積收縮比較大，達(dá)到20%以上，而成焦溫度接近煅燒溫度的瀝青焦，煅燒后體積收縮很小。總之，在煅燒過程中，炭素原料的物理化學(xué)性質(zhì)的變化主要取決于炭素原料的性質(zhì)，也

23、取決于煅燒溫度。4. 目前采用較普遍的煅燒爐主要有三種： （1）罐式煅燒爐；（2）回轉(zhuǎn)窯煅燒爐；（3）電熱煅燒爐。罐式煅燒爐由于加熱方式和使用燃料的不同，又可分為：1）順流式罐式煅燒爐：燃?xì)獾牧鲃臃较蚺c原料的運(yùn)動方向一致。2）逆流式罐式煅燒爐：燃?xì)獾牧鲃臃较蚺c原料的運(yùn)動方向相反。3）簡易罐式煅燒爐：中小廠采用的燃煤煅燒爐。5. 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)噴入的燃料與原料中逸出的揮發(fā)分一起燃燒（也包括少量原料的氧化和自燃），產(chǎn)生的高溫在窯內(nèi)分成三個(gè)溫度帶：預(yù)熱帶、煅燒帶、冷卻帶。1）預(yù)熱帶預(yù)熱帶位于窯尾開始的一段較長區(qū)域，物料在此帶脫水干燥和排出揮發(fā)分。應(yīng)盡可能利用熱煙氣的熱量和揮發(fā)分燃燒熱。該帶的高溫端溫度為8

24、001100，加料端溫度為500600。窯筒體越短，則預(yù)熱帶也越短，窯尾溫度越高，排出的煙氣溫度就越高。物料變化：脫水并排出揮發(fā)分及硫分。2）煅燒帶（關(guān)鍵帶）煅燒帶的起點(diǎn)位于距煤氣噴嘴2m左右的地方。該帶溫度最高達(dá)1300以上，物料在此帶被加熱到1200左右。煅燒帶的長度取決于燃料和揮發(fā)分燃燒火焰的長度，一般約為35m，如煅燒揮發(fā)分含量較高的石油焦，煅燒帶的長度可增至810m。（1）煅燒帶溫度確定：煅燒帶的溫度是窯內(nèi)物料承受的最高溫度，它對煅后焦質(zhì)量起關(guān)鍵作用。但目前還無法直接測量回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料溫度，只能測量窯內(nèi)煙氣溫度或內(nèi)襯表面溫度來代替煅燒帶溫度。3）冷卻帶冷卻帶位于窯頭端，處于燃燒火焰前

25、進(jìn)方向的后面，長度為1.52m。經(jīng)過此帶，物料溫度逐漸降至800900。6. 回轉(zhuǎn)窯實(shí)收率（產(chǎn)能）的影響因素（1）石油焦質(zhì)量在石油焦質(zhì)量指標(biāo)中，硫分在煅燒過程中失重很小，灰分則更小，而揮發(fā)分將排除殆盡，水分則完全被排除。因此原料焦中水分和揮發(fā)分的含量是影響煅燒實(shí)收率的重要因素。含量大，則煅燒過程中物料失重大，實(shí)收率降低。（2）石油焦粒度石油焦粒度的大小或粗細(xì)程度一般用粉焦量來表示，粉焦量就是粒度小于8mm的粉料占總物料的重量百分比。粉焦量越大，實(shí)收率越低，這是造成實(shí)收率低的一個(gè)重要因素。（3）煅燒帶溫度、長度和位置煅燒帶溫度高，促進(jìn)焦碳氧化反應(yīng)的進(jìn)行，使反應(yīng)速度加快，增大了焦炭的氧化損失，使實(shí)

26、收率降低；煅燒帶長，焦碳在高溫狀態(tài)下與空氣接觸的機(jī)會和時(shí)間增多，引起焦炭的氧化損失增大，實(shí)收率降低；當(dāng)煅燒帶位置遠(yuǎn)離窯頭，冷卻帶較長時(shí)，熾熱的高溫物料在向窯頭移動過程中長時(shí)間與空氣接觸，造成焦炭的氧化損失增大，實(shí)收率降低。（4）空氣過剩系數(shù)空氣過剩系數(shù)大，窯內(nèi)剩余的空氣量增大，強(qiáng)化焦炭氧化反應(yīng)的進(jìn)行，使焦炭氧化損失增大，實(shí)收率降低。（5）窯內(nèi)負(fù)壓窯內(nèi)負(fù)壓大時(shí)，煙氣流速加快，被抽走的粉料量增大，導(dǎo)致實(shí)收率降低。7. 提高煅燒實(shí)收率的途徑（1）控制煅燒帶于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，不僅是溫度，煅燒帶的長度和位置也要控制。在維持正常的煅燒條件下，盡量減少窯尾排煙機(jī)的總排煙量，降低窯尾煙氣流速和溫度，窯尾負(fù)壓不要太

27、大，這樣使粉塵抽走量減少。（2）控制好助燃風(fēng)量，特別是一次風(fēng)和二次風(fēng)對焦炭的氧化燒損影響較大，所以要特別注意不要過量，以降低焦炭的氧化損耗，提高實(shí)收率。（3）原料應(yīng)預(yù)先經(jīng)過篩分，小于70mm的篩下料不經(jīng)過預(yù)碎而直接供給回轉(zhuǎn)窯使用，減少進(jìn)窯的粉料量。（4）保持好冷卻機(jī)內(nèi)的負(fù)壓，防止冷卻機(jī)中的水蒸氣進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯。在冷卻筒的進(jìn)料端設(shè)置水管直接噴淋灼熱的煅后料，快速冷卻，可大大減少煅后料在冷卻筒中的氧化，同時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣用風(fēng)機(jī)抽出。（5）力爭實(shí)現(xiàn)少用或不用燃料進(jìn)行煅燒。（6）窯頭嚴(yán)格密封，減少從窯頭進(jìn)入窯內(nèi)的空氣量。（7）回轉(zhuǎn)窯的溫度、空氣量和燃料應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動測定和調(diào)節(jié)。8. 回轉(zhuǎn)窯煅燒碳質(zhì)物料的優(yōu)缺點(diǎn)與

28、罐式煅燒爐和電熱鍛燒爐相比，用回轉(zhuǎn)窯燃燒碳質(zhì)物料有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）結(jié)構(gòu)簡單，材料單一，造價(jià)低，修建速度快。2）生產(chǎn)能力大，中等規(guī)格的回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)能力為2.53.5t/h。3）原料更換方便，對原料適應(yīng)性強(qiáng)，適用于煅燒各種碳質(zhì)物料。4）便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化。5）燃料消耗少，煅燒高揮發(fā)分延遲石油焦時(shí)，主要靠揮發(fā)分的燃燒來維持窯內(nèi)高溫。6）使用壽命長，一般可用2030年?；剞D(zhuǎn)窯的缺點(diǎn)是：1）物料氧化燒損大，一般為10%左右。2）由于窯體繞一定軸線旋轉(zhuǎn)，并且煅燒物料在窯內(nèi)轉(zhuǎn)動，造成耐火材料內(nèi)襯的磨損和脫落，導(dǎo)致物料灰分增加和檢修頻繁。煅后焦（煤）粉碎和篩分 1. 粉碎通常按以下方式加以劃分：粉碎粉磨破碎

29、細(xì)磨將物料磨到0.0010.1mm粗磨將物料磨到0.10.3mm細(xì)碎將物料由2080mm破碎到310mm中碎將物料由200300mm破碎到20 80mm粗碎將物料由10001500mm破碎到200 300mm超細(xì)磨將物料磨到小于0.001mm 2. 在炭素材料生產(chǎn)中，通常把粉碎操作分為三個(gè)級別： 1）粗碎（或稱預(yù)碎）：由200mm左右的大塊物料破碎到5070mm（一般指原料在進(jìn)入煅燒爐前的破碎）。 2）中碎：由50mm左右塊度的物料破碎到120mm（一般指煅后料進(jìn)一步破碎到配料所需的粒度）。 3）磨粉（或稱細(xì)磨）：將1mm左右的物料磨到0.075mm以下。3. 各種碳塊及糊料都是由不同粒度的顆

30、粒組成的。所以，碳塊及糊料的性能在很大程度上取決于所采用的原料粒度大小、數(shù)量、形狀和表面狀況等特性。因此，煅后焦（煤）的粉碎和篩分工藝，在碳塊和糊料的生產(chǎn)過程中占有重要地位，是主要生產(chǎn)工序之一。4. 粉碎理論主要是研究物料粉碎過程中能量消耗問題。5. 物料粉碎評價(jià)指標(biāo)（1）平均粉碎比粉碎前物料的平均直徑D與粉碎后物料平均直徑d的比值i稱為平均粉碎比，即D/di，一般簡稱粉碎比，對破碎來說，則稱為破碎比。它主要用來表明物料粉碎前后粒度變化程度，并能近似地反映出粉碎機(jī)械的作業(yè)情況。（2）平均粒徑（3）物料的易碎性物料粉碎的難易程度稱為易碎性。物料的易碎性與其本身的強(qiáng)度、硬度、密度、結(jié)構(gòu)的均勻性、粘

31、性、裂痕、含水量及表面形狀等因素有關(guān)。物料的易碎性常用易碎性系數(shù)來表示。物料的易碎性系數(shù)，是以某標(biāo)準(zhǔn)物料的單位動力產(chǎn)量為基準(zhǔn)，作相對比較得出的。6. 常用的破碎方法主要有以下四種：（P72）（1）壓碎：在兩個(gè)工作面之問的物料，受到緩慢增長的壓力作用而被破碎（2）劈碎：物料受到尖棱的劈裂作用而被破碎的方法.此法多適用于破碎脆性物料。（3）擊碎：物料在瞬間受到外來沖擊力的作用被破碎.沖擊破碎的方法很多,如靜止的物料受到外來沖擊物體的打擊被破碎;高速運(yùn)動的物料撞擊鋼板而物料被破碎;行動中的物料相互撞擊而破碎等.此法適用于脆性物料的破碎。（4）折碎：物料在受到兩個(gè)相互錯(cuò)開的凸棱工作面間的壓力作用而被破

32、碎的方法。此法主要適用于破碎硬脆性物料。（5）磨碎：物料受到兩個(gè)相對移動的工作面的作用：或在各種形狀的研磨體之間的摩擦作用而被粉碎的方法稱為磨碎。該法主要適用于研磨小塊物料。7. 粉碎設(shè)備分類（1）顎式破碎機(jī)：活動顎板對固定顎板作周期性的往復(fù)運(yùn)動,物料在兩顎板之間被壓碎。（2）圓錐式破碎機(jī)：外錐體是固定的,內(nèi)錐體被安裝在偏心軸套里的立軸帶動作偏心回轉(zhuǎn)，物料在兩錐體之間受到壓力和彎曲力的作用而破碎。（3）輥式破碎機(jī)：物料在兩個(gè)作相對旋轉(zhuǎn)的輥筒之間被壓碎。若兩個(gè)輥筒的轉(zhuǎn)速不同時(shí)，還會起到部分磨碎作用。（4）錘式破碎機(jī)：物料受到快速回轉(zhuǎn)部件的沖擊作用而被破碎。（5）輪碾機(jī)：物料在旋轉(zhuǎn)的碾盤上被圓柱形

33、碾輪壓碎和磨碎。（6）反擊式破碎機(jī)：物料被高速旋轉(zhuǎn)的板錘打擊，使物料彈向反擊板撞擊。（以上是破碎設(shè)備）（7）懸輥式環(huán)輥磨機(jī)（雷蒙磨）（8）球磨機(jī)（以上是粉磨設(shè)備）8. 影響球磨機(jī)磨粉生產(chǎn)的因素（1）球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速不應(yīng)太快，也不應(yīng)太慢。太快則產(chǎn)生的離心力太大，鋼球與物料貼在襯板上隨筒體一起旋轉(zhuǎn)而不落下，不能起到擊碎物料的作用。太慢則鋼球與物料從較低的位置落下，甚至只有相對滑動，這樣鋼球?qū)ξ锪系姆鬯槟芰p弱。（2）裝球量圓筒內(nèi)的裝球量對球磨機(jī)的生產(chǎn)率和研磨效率也有影響。裝入圓筒內(nèi)的鋼球最大數(shù)量，以不致使沿不同軌跡運(yùn)動的鋼球有可能發(fā)生互撞現(xiàn)象為限。裝入鋼球的數(shù)量一般應(yīng)達(dá)到占筒體容積的40%

34、左右，通常裝到略低于進(jìn)出料口的高度。（3）襯板形狀球磨機(jī)的筒體內(nèi)壁一般鑲有襯板。襯板有多種型式的，一般多采用波形襯板和凹坑形襯板。（4）球磨機(jī)直徑隨著球磨機(jī)直徑的增大，在轉(zhuǎn)動時(shí)能把鋼球帶到更高處，下落時(shí)其擊碎能力大大提高，產(chǎn)量也增大（5）操作情況由于在球磨機(jī)圓筒內(nèi)鋼球的直徑因磨損變小，必須按時(shí)選球和補(bǔ)充新球，以保持所規(guī)定的裝球量，否則會影響球磨機(jī)的生產(chǎn)效率。炭素材料的配料工藝 1. 炭素制品制備的配料工藝是指配方的制定及配料操作，配方將不同粒級的原料和粘結(jié)劑按一定的比例配合，其目的是為了得到堆積密度較大而氣孔率較小的炭素材料。正確地制定配方及準(zhǔn)確地配料操作與炭素制品質(zhì)量及各工序的成品率關(guān)系密切

35、。 2. 配料是炭素制品生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，一般來說，炭素制品配方包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（1）選擇炭素原料的種類；（2）確定不同種類原料的使用比例；（3）確定固體炭素原料的粒度組成；（4）確定粘結(jié)劑的比例。3. 炭素原料選擇的基本原則總體原則：不同種類的炭和石墨制品，根據(jù)其用途和質(zhì)量指標(biāo)要求選擇不同的原料，同時(shí)也考慮其經(jīng)濟(jì)性，在質(zhì)量和用途得以保證的前提下，應(yīng)盡量選用價(jià)廉和來源廣泛的原料。 具體原則：（P81）4. 粘結(jié)劑用量確定的一般規(guī)律(P87)5. 各種粒級在配方中的作用大顆粒在坯體結(jié)構(gòu)中起骨架作用，適當(dāng)增加大顆粒的尺寸和提高大顆粒的使用比例，可以提高產(chǎn)品的抗氧化性能和抗熱震性能，減少壓型和

36、焙燒工序的裂紋廢品；但另一方面會提高產(chǎn)品的氣孔率，降低制品密度和機(jī)械強(qiáng)度，加工后產(chǎn)品表面粗糙。小顆粒（粉料）的作用是填充顆粒間的空隙，在一定范圍內(nèi)增加小顆粒粉料的用量，可以提高產(chǎn)品的密度和機(jī)械強(qiáng)度，減少氣孔，產(chǎn)品加工后表面比較光潔。6. 配方中各種顆粒粒度配比的確定依據(jù)（1）產(chǎn)品截面大小產(chǎn)品截面大，就應(yīng)該采用較大的粒度和較少的細(xì)粉；而截面較小的產(chǎn)品，選用較小的粒度和較多的細(xì)粉。例如大直徑石墨電極用球磨粉為3040%（在全部干料中的比例），中直徑石墨電極用4050%，小直徑石墨電極球磨粉用量達(dá)5070%。（2）產(chǎn)品使用要求對那些要求密度大、強(qiáng)度高、氣孔率小和加工后表面較細(xì)密光潔的產(chǎn)品，則應(yīng)采用較

37、細(xì)的粒度組成。對那些要求抗熱震性和抗腐蝕性好、對機(jī)械強(qiáng)度和氣孔率要求不高的產(chǎn)品，則應(yīng)采用較粗的粒度組成。（3）原料性質(zhì)不同原料顆粒的強(qiáng)度系數(shù)、回脹系數(shù)以及對粘結(jié)劑的吸附性能等都存在差異，因此采用不同原料生產(chǎn)同類制品時(shí)，各種粒度的比例也需作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。（4）工藝條件和工序成品率每種產(chǎn)品究竟要選用幾種顆粒粒度，要視工藝條件和實(shí)際生產(chǎn)流程而定，在符合技術(shù)要求的條件下，要盡可能在配方中減少粒度級。7. 最大顆粒尺寸的確定依據(jù)（1）原材料的材質(zhì)（2）產(chǎn)品的直徑或截面積大?。?）產(chǎn)品的用途8. 配方計(jì)算例1:計(jì)算生產(chǎn)ø150mm石墨電極的配方（1）計(jì)算條件 工藝要求的技術(shù)配方為：原料：石油焦（6

38、3±2）%；石墨碎（10±5）%；瀝青（27±2）%。粒度：2mm 不大于5%， 12mm 9%12%， 0.51.0mm 8%12%， 0.075mm 55%60%，（2）確定每鍋糊料應(yīng)取用固體炭素原料及粘結(jié)劑的數(shù)量若每鍋糊料的總質(zhì)量為1300kg，瀝青用量為27%，則取用瀝青的數(shù)量為:1300×27%=351(kg）； 固體原料用量為：1300351=949（kg）。（3）石油焦及石墨碎的粒度組成石油焦破碎后篩分為三種顆粒，即21mm，10.5mm，0.50mm，另一部分石油焦經(jīng)球磨機(jī)后磨成粉狀。石墨碎破碎成02mm顆粒（見表5-1），分別貯入5個(gè)貯

39、料斗中。（4）計(jì)算每種顆粒量的取用量 為計(jì)算方便起見，先以石油焦和石墨碎取100g為基準(zhǔn)。1)石墨碎用量按技術(shù)配方，以10%計(jì)，則石墨碎量為100×10%=10g。按照表5-1的篩分純度，10g石墨碎中21mm的粒級為10×22%=2.2g；10g石墨碎中10.5mm的粒級為10×32%=3.2g;10g石墨碎中0.50.15mm的粒級為10×34%=3.4g;10g石墨碎中0.150.075mm的粒級為10×7%=0.7g; 10g石墨碎中0.075mm粒級為10×5%=0.5g; 2）計(jì)算石油焦各粒級的用量21mm粒級按技術(shù)配方為

40、9%12%，取其中限為11%， 在100g中21mm粒級總量為100×11%=11g；石墨碎中已有21mm粒級的量為100×10%×22%=2.2g； 應(yīng)取21mm粒級石油焦量為11-2.2=8.8g， 但按篩分純度，21mm級中，符合要求的占77%，故100g料中該從21mm石油焦貯斗取用量為8.8÷0.77=11（g）1.00.5mm粒級按技術(shù)配方為8%12%,取中限為10%。而在石墨碎中已有 100×10%×32%=3.2g;所取21mm級石油焦中已有21%，故1.00.5mm粒級實(shí)際應(yīng)取用量為：100×10%(3.2

41、+11×21%) ÷0.82=5.4(g)球磨粉按技術(shù)配方要求0.075mm為55%60%，按57%計(jì)算。已取得石墨碎中含有0.075mm 為100×10%×5%=0.5g，而0.50mm粒級中還含有14%的0.075mm料。球磨粉中0.075mm的料只有78%，假設(shè)球磨粉去用量為x，則 x=100×57% 0.5+(100 10 11 5.4 x) ×14% ÷0.78解上式：x=72.2(g)0.50mm粒級的取樣量可按差減法求得：100 (10+11+5.4+72.2)=1.4(g)將以上結(jié)果整理后列于表5-2，即為工

42、作配方。3）核算粒度組成在工作配方計(jì)算完畢后，應(yīng)進(jìn)行固體原料粒度組成的核算：21mm (104.4×77%+51.2×3%+94.9×22%) ÷949=10.8%12%10.5mm (104.4×21%+51.2×82%+13.3×4%+94.9×32%) ÷949 =9.99% 12%0.075mm (13.3×14%+685.2×78%+94.9×5%) ÷ 949 =57.01% 66%根據(jù)以上核算，固體原料粒度組成均符合要求。例2：某廠生產(chǎn)300mm石墨電極，每鍋料總重為1700kg，加入20%的200mm電極生料，試計(jì)算其工作配方。（1）計(jì)算條件工藝要求的技術(shù)配方為：原料:混合焦 04mm,67±5%; 石墨碎 04mm,10 ±5%; 瀝青 23 ±2%;粒度組成：4mm 2.0%； 42mm 11 ±3%; 21mm 14 ±3%; 0.15mm 58 ±3%，其中0.075mm占43%45% 。 對于加入非本身生碎