石墨制品生产原料

石墨制品生产新工艺新技术碳的存在形式碳的存在形式和一般性质•人们从矿物中开采得到的碳有三种形态：金刚石、石墨好各种煤炭。金刚石和石墨是结晶形碳，各种煤炭为无定形碳。金刚石•纯金刚石的外观无色透明，通常由于夹杂的杂质元素不同而呈现淡黄色、天蓝色、蓝色或红色，有强烈的光泽。•金刚石属于等轴系，常成八面体，也有其他形状，晶格外形十分规整。•在钻石晶体中，碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于钻石中的C-C键很强，所以所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以钻石不仅硬度大，熔点极高，而且不导电。在工业上，钻石主要用于制造钻探用的探头和磨削工具，形状完整的还用于制造手饰等高档装饰品，其价格十分昂贵。•钻石的摩氏硬度为10;由于在自然界物质中硬度最高，钻石的切削和加工必须使用钻石粉来进行。钻石的密度为3.52g/cm，折射率为2.417，色散率为0.044。石墨六角环形片状体的多层叠合晶体鳞片状石墨颗粒外形为鳞片状，外观呈银灰色，有闪闪金属光泽，手摸有滑腻感并留有深灰色痕迹。土状石墨颗粒外形为土粒状，呈深灰色，手摸较少滑腻感。煤炭和焦炭•煤炭是泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤等的通称。•各种不同品种的煤炭的炭化程度相差很大。•焦炭是用烟煤或某些含碳量高的物质（石油沥青或渣油、煤沥青）在高温下隔绝空气加热使之焦化的产物。•焦炭强度大、耐磨、抗压、含碳量高。多数焦炭在经过2000℃以上的高温处理后都能转化成石墨。炭和石墨制品生产发展概况•炭和石墨具有一系列可贵的物理化学性质，如较好的导电性和导热性、耐腐蚀、耐高温等。在各种工业部门应用很广。最早的炭制品，是以天然石墨与粘土混合后制成的熔炼金属用的坩埚和松烟制墨。1800年用碳电极制造了一组实验室的电池，这是最早的碳质导电材料。1810年用木炭制成用于产生电弧的碳棒，1842年实现了用焦炭粉及结焦性煤生产碳电极的方法。1860年开始了用天然石墨制造炼铁高炉用的内衬碳块代替过去常用的耐火砖，这是近代碳质耐火材料使用的开始。•1876年以后，支撑了电炉炼钢用的天然石墨电极和炭素电极，，并在生产实践中逐渐形成了一套比较完整的炭制品制造工艺：原料→破碎和磨粉→配料→与粘结剂混合成可塑性的糊状→加压成型→生制品的焙烧→机械加工。•十九世纪末发明了人造石墨电极的生产方法。石墨化电极与天然石墨电极或炭素电极相比，质量大大提高，如含杂质少、导电性能好、耐热性与耐急冷急热性高、化学稳定性好和热膨胀系数低等。•二十世纪三十年代，在化学工业中采用经过树脂浸渍的石墨化产品作为耐腐蚀的结构材料，开辟了炭和石墨产品又一新用途。•第二次世界大战期间和1945年以后，炭和石墨制品和原子能工业和导弹、火箭等军事工业直接联系在一起的。1942年首先用高纯石墨块砌筑原子反应堆，并用石墨材料制成了一些耐超高温的导弹与火箭零件。炭和石墨制品的主要用途•一、作为导电材料使用•二、作为耐火材料使用•三、作为耐腐蚀的结构材料使用•四、作为耐磨和润滑材料使用•五、作为高温冶金及超纯材料生产用的结构材料•六、作为铸模、压模使用•七、在原子能工业及军事工业中的使用炭和石墨制品的生产工艺流程石墨制品生产原材料•生产各种碳和石墨制品的主要原料有：•石油焦、沥青焦、冶金焦、无烟煤、煤沥青、煤焦油、蒽油、天然石墨。其他辅助材料有焦粉及石英砂等。现将这些原材料及辅助材料的来源和质量指标介绍于后。石油焦•石油焦是生产各种石墨化电极、石墨化阳极、石墨化块等石墨化制品的主要原料，也是生产预焙阳极、阳极糊等产品的主要原料。石油焦的特点是灰份杂质特别低（一般小于1%），并且在高温下容易石墨化，生成的石墨质量较好。石油焦的产率一般只有焦化原料的10~20%。•焦化方法一般有五种：（1）釜式焦化；（2）平炉焦化；（3）延迟焦化；（4）接触焦化；（5）流化焦化。沥青焦•石油焦容易石墨化，但机械强度较低。沥青焦在同样的石墨化温度下得到的石墨，其比电阻较大，但机械强度较高。因此，一般生产石墨化产品时，除石油焦外还采用一定比例的沥青焦。沥青焦是一种低硫、低灰份焦。冶金焦•冶金焦是生产各种炭块、碳素电极以及各种电极糊、底部糊、粗缝糊、细缝糊的主要原料。冶金焦是几种炼焦煤按照一定配比在炼焦炉中高温焦化炼成的。冶金焦的灰份含量较高，一般均在10%以上，比较不容易石墨化，煅烧或石墨化后的导电性能比较石油焦或沥青焦差一些。•由于冶金焦的成焦温度在1200℃以上，因此在碳素制品厂冶金焦不经煅烧即可使用，但为了易于磨粉应烘干其水份。无烟煤•无烟煤也是生产各种炭块、碳素电极以及各种电极糊、底部糊、粗缝糊等制品的主要原料。有时，也可以使用低灰份的无烟煤取代部分石油焦来配制石墨化电极。•无烟煤是变质作用程度较高的一种煤，含碳量一般在80%以上，挥发物含量在10%以下。无烟煤结构比较致密，比重达到1.50左右，有较高的机械强度，经过适当的热加工后导电性能良好。有些产地的无烟煤还比较容易石墨化。煤沥青•煤沥青是生产各种石墨和炭素制品的粘结剂。煤沥青能很好的浸润和渗透各种焦炭及无烟煤的表面和孔隙，并使各种配料单颗粒成分能互相粘结及形成具有良好塑性状态的糊料。煤焦油•煤焦油是炼焦时的副产品，它是黑色粘稠液体。煤焦油是多种碳氢化合物的混合物。从煤焦油中可以提炼出上百种有机化合物。经过脱水后的煤焦油在炭素制品工厂中主要用来调整煤沥青的软化点。•如要求粘结剂的软化点为55℃，而煤沥青的软化点为65~75℃时，只要往煤沥青内加入15~20%的煤焦油即可使粘结剂的软化点降低到55℃左右。石墨化制品需要浸渍时，有时为了降低沥青的粘度也加入适量煤焦油或蒽油。这种鱼煤焦油或蒽油混合的沥青降低粘度后能提高流动性，易于浸入焙烧半成品的气孔中。蒽油•蒽油是煤焦油加热蒸馏时在270~360℃间蒸发出来并冷凝以后得到的褐色粘稠液体，产量占煤焦油量的20%左右。使用蒽油的目的与使用煤焦油相同，也是为了降低煤沥青的软化点或粘度。天然石墨•生产石墨化制品以及多数炭制品一般不使用天然石墨。但是天然石墨可以用来生产天然石墨电极、电池炭棒和电刷、坩埚等多种产品。天然石墨有两种形态：一种是鳞片状石墨，颜色深灰、有金属光泽、具有较高的导电性及润滑性；另一种为土状石墨，颜色更深、无金属光泽、润滑性与导电性均较鳞片状石墨稍差，这是非晶形碳的过渡阶段的产品。石墨化碎•石墨化碎石炭素制品工厂生产各种石墨化制品时在石墨化后或加工后的废品及加工时的切削碎屑。石墨化碎的物理化学性质与成品石墨化电极一样，主要是灰份低、导电性能好。在炭素制品工厂将回收的石墨化碎以10~20%的比例加入一些产品的配料中，也可用作炼钢时的增碳剂或生产石墨塑料管的原料。目前有些小型炭素制品工厂用石墨化碎为主要原料生产石墨碎电极。这种电极虽然比电阻较石墨化电极稍大一些（比石墨化电极大一倍左右），但是灰份较低，使用效果比天然石墨电极好。其他辅助材料•包括生制品的填充料、石墨化炉用的电阻料及保温料。辅助材料有焦粉、胶粒、石英砂等。物料破碎的一般概念•物料破碎是炭和石墨制品生产过程中不可缺少的一道工序。•把大块物料变小的过程称为破碎。一般是施加机械外力克服物料分子间的内聚力而使物料破碎。根据被破碎物料的大小及破碎后物料颗粒不同，可以把物料的破碎作业分为几个级别，如粗碎、中碎、细碎、粗磨、细磨，但它们之间并没有严格的划分，不同的工业有不同的破碎级别标准。•物料破碎是一个物理机械过程。与破碎有重大关系的物料的硬度和强度。硬度和强度又是互相依赖的，在一般情况下物料越硬其强度也越大，也越难破碎。强度又可分抗压强度、抗折强度和抗拉强度等。破碎时对物料施加的外力超过物料的强度即发生破裂。有些物料抗压强度较大，但是抗折强度和抗拉强度不一定大。因此，针对物料不同的特性可以用不同的破碎方法。•经常采用的破碎方法有下列几种：•（1）压碎：它是利用两破碎工作面逼近时的压力使物料破碎。压碎的特点是作用力逐渐加大，力的逐渐加大，力的作用范围较大，适用于破碎较硬的物料。•（2）劈碎：破碎工作是由尖齿压入物料时产生的劈力完成的，其特点是力的作用范围较为集中，发生局部碎裂。此法适用于破碎脆性物料。•（3）磨碎：破碎工作面在物料上面相对移动，对物料施加剪切力，这种力是作用于表面部分，适合于细颗粒物料的磨碎。•（4）击碎：与上述数种的破碎方法的区别是破碎力瞬间作用于物料上。目前采用的许多破碎设备，往往同时兼有上述几种作用中的2~3种。破碎设备•一、颚式破碎机•颚式破碎机的工作部件是两块颚板。一块颚板固定不动，另一块颚板在一端绕定轴转动而他端则连在心轴上作周期摆动或平行移动，而且根据物料特性不同两颚板构成一定的夹角。•颚式破碎机按其动颚板周期摆动的特点不同，可以分为简单摆动型、复杂摆动型及混合摆动型三种。双齿辊破碎机•双齿辊破碎机的工作部件是两个相对方向转动的辊轮，辊轮表面是由镶有若干块锰钢铸成的齿板所构成。当大块原料从两辊间通过时，受辊轮齿板的挤压及劈裂作用而破碎，破碎后小于两辊间隙的料块靠其自重而排出。连个辊轮的转速相同，两个辊轮中的一个用固定轴安装，另一个装在可前后滑动的轴承上。滑动轴承用弹簧顶住，以便碰到过硬物料而破碎不了时，滑动轴承可借很大的反作用力而压缩弹簧向后滑动，使过硬物料通过，这样可保护辊轮及齿板。双齿辊破碎机可以破碎各种炭素原料，而且生产效率很高。对辊破碎机•对辊破碎机和前面介绍过的齿式对辊破碎机基本上是一样的，其工作部件也是两个大小相同、相对方向旋转的辊轮。辊轮的表面是由锰钢铸成的可以更换的辊皮。为了提高破碎效率，辊皮表面加工成波浪纹或者直纹，有时也用焊条点焊成较密集的突起物。锤式破碎机•锤式破碎机的主要部件是一个挂有若干个活动锤头的高速旋转的转子，围绕旋转的转子安装着带有筛孔的筛板或筛条。当转子高速旋转后，因离心力的作用锤头成放射状。加入的原料块直接受到作高速圆周运动的锤头的打击，并且被锤头撞击到筛板或筛条上撞碎。为了使破碎后的颗粒能顺利的排出而不致将筛孔或筛条堵住，实际上筛孔或筛条间隙的大小要比破碎后所需的最大颗粒大1.5~3倍。反击式破碎机•反击式破碎机的工作原理与锤式破碎机一样，也是利用在高速下的冲击作用使物料破碎，但反击式破碎机的构造与锤式破碎有所不同。反击式破碎机的主要部件为固定在旋转主轴上的工作转子。工作转子的圆柱面上装有三个坚硬的板锤。在转子的上方机壳内壁上吊有前后两块反击板，从而形成两个破碎腔。反击板与进料口之间吊有许多链条所组成的链幕一直垂到给料筛板上，这样就可防止物料被反击板碰回而飞出给料口。石墨混捏工艺石墨混捏工艺•混捏是指将各种颗粒的粉粒干料与黏结剂经过某种操作使其达到均匀、密实且具有一定可塑性的糊料的工艺过程。•混捏的目的是：1、使各种不同粒径的骨料均匀分布，使颗粒之间的空隙用更小的颗粒充填，以提高糊料的密实程度；2、使黏结剂均匀地包裹在干料颗粒的表面，并部分地渗透到颗粒的孔隙中去，由黏结剂的粘结力把所有颗粒互相结合起来；3、使干料与黏结剂分布均匀，结构均一，并使糊料具有良好的塑性，以利于成形。为完成上述工艺要求所使用的机械称为混捏机。石墨混捏工艺•混捏机由一对互相配合和旋转的叶片(通常呈Z形)所产生强烈剪切作用而使半干状态的或橡胶状粘稠塑料材料能使物料迅速反应从而获得均匀的混合搅拌。混捏机加热方式一分为：夹套加热、蒸汽加热和循环导热油加热，冷却方式一般为水冷却;采用液压翻缸及启盖。出料方式有液压出料、翻缸卸料、球阀出料，螺杆挤出等。石墨混捏工艺•主要用于制造电极糊、阳极糊、石墨化电极等碳素制品。石油焦、无烟煤、冶金焦为主要原料，煤沥青为粘结剂而制成。有的用于各种连续自焙电炉作为导电电极使用的电极糊;有的用于连续自焙式铝槽作为导电阳极使用的阳极糊;有的用于高炉砌筑的填料和耐火泥浆的粗缝糊和细缝糊。石墨混捏工艺石墨混捏工艺•混捏工艺两大核心要素：混捏温度和时间•混捏时间的长短主要取决于混捏机的结构性能、混合料中各组分的比例、各组分间密度的比值、混合物的密度、装