石墨加工生產原料及工藝技術

1、生產石墨的原料包括石油焦、針狀焦和煤焦油瀝青。

焙燒：是將原木炭產品放入專門設計的加熱爐中，在填料的保護下進行高溫熱處理，使木炭產品中的煤瀝青碳化的過程。 煤化后形成的瀝青焦將碳質骨料和粉末顆粒固結在一起。 焙燒炭產品機械強度高、電阻率低、熱穩定性和化學穩定性好。

焙燒是碳素制品生產的主要工序之一，也是石墨電極生產三大熱處理工序中的重要環節。 焙燒生產周期長（第一次焙燒22-30天，第二次焙燒5-20天），能耗高。 綠色烘焙的質量對成品質量和生產成本有一定的影響。

在焙燒過程中，原煤瀝青焦化，并排出約10%的揮發分。 同時，體積縮小2-3%，質量損失8-10%。 碳的物理和化學性質也發生顯著變化。 隨著孔隙率的增加，堆積密度從1.70g/cm3下降到1.60g/cm3，電阻率從μΩ·m左右下降到40-50μΩ·m，煅燒炭的機械強度也大大提高。

二次焙燒是對焙燒品進行浸漬，然后再次焙燒，使浸漬在焙燒品孔隙中的瀝青碳化的過程。 體積密度高的石墨需烘烤兩次，接頭體需浸三烘烤四次或浸兩次烘烤三遍。

焙燒爐主要爐型：連續操作-環形爐（有蓋或無蓋）、隧道窯間歇操作-下焰爐、臺車式焙燒爐、箱式焙燒爐。

烘烤曲線及最高溫度：第一次烘烤-320、360、422、480小時，第二次烘烤1250℃-125、240、280小時、700-800℃。 烘焙產品的檢驗：外部沖擊、電阻率、堆積密度、抗壓強度和內部結構分析。

浸漬是將碳材料置于壓力容器中，在一定的溫度和壓力條件下，將液體浸漬劑瀝青浸入制品的電極孔隙中的過程。 目的是減少氣孔率，增加體積密度和機械強度，提高制品的導電性和導熱性。

浸漬工藝及相關技術參數為：坯體烘烤——表面清理——預熱（260-380℃，6-10小時）——裝入浸漬罐——抽真空（8-9KPa，40-50分鐘）——注入瀝青(180-200℃)-加壓(1.2

浸漬制品檢驗：浸漬增重率G=(W2-W1)/W1×100%。 一次浸漬制品增重率≥14%，二次浸漬制品增重率≥9%，三重浸漬制品增重率≥5%。

石墨化是指將碳制品在高溫電爐中在保護介質中加熱至2300℃以上，使非晶無序碳轉變為三維有序石墨晶體結構的高溫熱處理過程。

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是以石油焦渣和石油瀝青為原料焦化而成的可燃固體產品。 黑色多孔，主要元素為碳，灰分含量很低，一般小于0.5%。 石油焦是一種容易石墨化的碳。 石油焦廣泛應用于化工、冶金等行業。 是生產人造石墨制品和電解鋁用碳素制品的主要原料。

煤炭是煤焦油深加工的主要產品之一。 它是多種碳氫化合物的混合物。 常溫下為黑色半固體或高粘度固體，無固定熔點。 受熱軟化后熔化，密度1.25-1.35g/cm3。 按軟化點可分為低溫瀝青、中溫瀝青和高溫瀝青三種。 軟瀝青的收率是煤焦油的54-56%。 煤的成分極其復雜，與煤焦油的性質和雜原子含量有關，還受焦化工藝制度和煤焦油加工條件的影響。 表征煤瀝青特性的指標有很多，如瀝青軟化點、甲苯不溶物（TI）、喹啉不溶物（QI）、焦化值、煤瀝青流變性等。

煤炭在炭素工業中用作粘結劑和浸漬劑，其性能對炭素制品的生產工藝和產品質量影響很大。 粘結劑一般為軟化點適中、焦化值高、β樹脂含量高的中溫或中溫改性瀝青。 浸漬劑為軟化瀝青，軟化點低，QI低，流變性好。

鍛燒：對炭素原料進行高溫熱處理，排出其中所含的水分和揮發性成分，相應改善原料的物理、化學性能的生產過程稱為鍛燒。 煅燒碳原料一般采用燃氣及其自身揮發分作為熱源，最高溫度為1250-1350℃。

煅燒后的碳質材料的微觀結構和物理化學性能發生了深刻的變化，主要體現在焦炭的密度、機械強度和導電率的增加，以及焦炭化學穩定性和抗氧化性的提高，為后續工序打下基礎。

煅燒設備主要有罐式煅燒爐、回轉窯和電煅燒爐等。 煅燒質量控制指標為：石油焦真密度不小于2.07g/cm3，電阻率不大于550μω·m，針狀焦真密度不小于2.12g/cm3，電阻率不大于500μω·m

原料破碎及配料

大塊的煅燒石油焦、針狀焦在配料前應進行破碎、研磨、過篩。

二級破碎通常采用顎式破碎機、錘式破碎機、輥式破碎機等破碎設備，將物料進一步破碎至50mm左右。 達到配料所需粒徑0.5-20毫米。

研磨是利用吊桿環輥磨機（雷蒙磨）、球磨機等設備將碳原料研磨成粒徑0.15毫米以下的細粉顆粒的過程。

篩分是將粉碎后的粒度范圍較寬的物料，通過一系列孔徑均勻的篩子，分成粒度范圍較窄的多種粒度的過程。 目前，電極生產通常需要 4-5 種粒徑和 1-2 種粉末尺寸。

根據石油焦的熱處理溫度，可分為生焦和煅燒焦。 前者是經延遲焦化得到的石油焦，含有大量揮發分，機械強度較低。 煅燒焦是通過生焦煅燒得到的。 國內煉油廠大多只生產原焦，煅燒大多在炭素廠進行。

根據石油焦的硫含量分為高硫焦（硫含量大于1.5%）、中硫焦（硫含量0.5%-1.5%）和低硫焦（硫含量小于0.5%）三種類型。 %）。 低硫焦炭一般用于生產人造石墨制品。

針狀焦是一種優質焦炭，具有明顯的纖維結構、極低的熱膨脹系數、易石墨化。 焦塊破碎時，可分裂成細長條狀顆粒（長徑比一般在1.75以上）。 在偏光顯微鏡下可觀察到各向異性的纖維結構，故稱為針狀焦。

針狀焦的物理機械性能各向異性很大，平行于顆粒長軸具有良好的導電性和導熱性，熱膨脹系數低。 在擠出成型過程中，大多數顆粒的長軸沿擠出方向排列。 因此，針狀焦是制造石墨的關鍵原料。 電阻率低，熱膨脹系數小，抗熱震性能好。

針狀焦分為以石油渣油為原料生產的油系針狀焦和以精煉煤焦油瀝青為原料生產的煤系針狀焦。

配料是將各種粒度的骨料、粉料、粘合劑等按照配方要求進行計算、稱重、集中的生產過程。 配方的科學適宜性和配料操作的穩定性是影響產品質量指標和性能的最重要因素之一。

公式需要從五個方面來確定：

①選擇原材料的種類；

②確定不同種類原材料的比例；

③確定固體原料的粒度組成；

④確定膠粘劑用量；

⑤確定添加劑的種類和用量。

捏合：將一定量的碳粒和粉末與一定量的粘結劑在一定的溫度下混合，捏合成塑料糊狀的過程稱為捏合。

捏合過程：干混（20-35分鐘）、濕混（40-55分鐘）

揉捏功能：

(1)干混時，將各種原料混合均勻，將不同粒徑的固體碳質材料混合均勻并填充，以提高混合物的密度；

(2)加入煤焦油瀝青后，將干料與瀝青混合均勻，將液體瀝青均勻涂抹在顆粒表面，形成瀝青粘結層，將各材料粘結在一起，形成均勻的塑性膏體，有利于成型；

(3)部分煤焦油瀝青滲透到碳質材料的內部空隙中，進一步提高了膏體的密度和粘結性。

成型：碳材料的成型是指捏合后的碳糊在成型設備施加的外力作用下發生塑性變形，最終形成具有一定形狀、尺寸、密度和性能的生坯（或生坯制品）的過程。力量。

成型種類、設備及制品：

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擠壓操作

①冷卻：采用盤式冷卻、筒式冷卻、捏合式冷卻等方式排出揮發物。 降低至適當溫度（90-120℃），增加附著力，使糊體尺寸均勻，有利于成型，時間20-30分鐘。

(2)加載：提起壓機擋板，進行2-3次-4-壓實。

③預壓：壓力20-，時間3-5分鐘，同時抽真空。

④擠壓：將擋板下壓-5-擠壓-剪切-轉移入冷卻水箱。

擠壓技術參數：壓縮比、壓室及噴嘴溫度、冷卻溫度、預壓時間、擠壓壓力、擠壓速度、冷卻水溫度。

坯體檢驗：堆積密度、外觀檢驗和分析。

二、石墨化的目的和作用

①提高碳材料的導電、導熱性能（電阻率降低4-5倍，導熱系數提高10倍左右）；

②提高碳材料的抗熱震性和化學穩定性（線膨脹系數降低50-80%）；

(3)碳材料具有潤滑性和耐磨性；

④去除雜質，提高碳材料的純度（產品灰分由0.5-0.8%降低到0.3%左右）。

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三、石墨化過程的實現

碳的石墨化是在2300-3000℃的高溫下進行的，因此工業上只能通過電加熱來實現，即電流直接通過被加熱的焙燒品，裝入爐內的焙燒品產生高溫通過電流。 導體也是被加熱到高溫的物體。

目前廣泛使用的是石墨化爐和LWG爐。 前者產量大、溫差大、功耗高，后者加熱時間短、功耗低、電阻率均勻，但安裝連接器較困難。

通過測量溫度來控制石墨化過程，以確定與溫度升高相對應的電功率曲線。 爐子通電時間為50-80小時，LWG爐子通電時間為9-15小時。

石墨化的電耗很高，一般為3200-，工藝成本約占整個生產成本的20-35%。

石墨制品檢驗：外觀敲擊、電阻率測試。

機械加工：碳石墨材料機械加工的目的是達到所需的尺寸、形狀、精度等，通過切削加工，制成符合使用要求的石墨制品。