浸渍演示文稿

1 浸渍目的 设备和生产工艺 炭素制品生产技术系列讲座 15李圣华 2 本课主要内容 浸渍是生产石墨电极和其他高密度炭制品的必要工序之一 本课将介绍浸渍的目的 炭制品的孔隙的形成和浸渍剂的填孔作用 多次浸渍对石墨电极物理化学性能的影响 浸渍设备 浸渍罐和各类浸渍系统 抽真空和加压设备 浸渍操作的四大要素 浸渍质量的检查等 3 浸渍目的 浸渍是在一定温度和压力下迫使液态材料 沥青 合成树脂 低熔点金属 浸入制品的孔隙中的工艺过程 炭制品进行浸渍目的是提高产品的体积密度和降低孔隙率 渗透率 增加产品的机械强度及改善导电性能和导热性能 小规格石墨电极一般都需要浸渍一次 所有接头坯料全部需要进行浸渍1 3次 超高功率石墨电极本体也需要经过1 2次浸渍以达到规定的体积密度 4 浸渍工艺在生产电炭制品和化工石墨中的应用 电炭制品有些品种需用低熔点液态金属 如铅锡合金 铝合金 浸渍以提高其耐磨性和导电性 化工石墨设备一般将加工好的毛坯石墨用合成树脂浸渍 达到在化工生产流程中不被反应的气体或液体所渗透 5 炭制品内部孔隙的形成 石墨制品的原料为石油焦或沥青焦 其宏观结构为蜂窝状或纤维状 表面及内部存在许多大小不等而且分布不均匀的孔隙 测定数据见附表 同时 炭制品生坯使用煤沥青为粘结剂 生坯在焙烧过程中 由于煤沥青的分解 缩聚和炭化 形成沥青焦的残炭率一般只有50 左右 6 两种石油焦的孔径分布测定数据举例 孔径区域孔径分布 原焦煅烧后石墨化后 石 大孔区域 1 m73 861 859 3油 中孔区域0 1 1 m14 513 417 2焦 小孔区域0 01 0 1 m7 015 314 4A 毛细孔区域 0 01 m4 79 59 1 石 大孔区域 1 m79 856 351 7油 中孔区域0 1 1 m8 322 610 6焦 小孔区域0 01 0 1 m7 611 831 9B 毛细孔区域 0 01 m4 39 35 8 7 煤沥青炭化形成的孔隙 煤沥青形成沥青焦的体积小于生坯中煤沥青占有的体积 虽然生坯在焙烧过程中体积稍有收缩 但是仍在焙烧品内部留下许多大小不等的孔隙 焙烧品的孔隙率一般为20 32 大量孔隙的存在必然会对焙烧品以及最终成品的物理化学性能产生影响 8 孔隙的分类 孔隙可分为开口孔隙 与外界相通 和封闭孔隙 与外界不通 两类 开口孔隙的尺寸可以测量 各类石墨制品开口孔隙的孔径大小差别很大 大多数孔隙的孔径在0 01 100 m范围内 其中孔径大于 m的约占开口孔隙总量的50 以上 0 1 1 0 m孔径的气孔占25 左右 孔径为001 0 l m的孔隙约占10 20 小于0 1 m的孔隙一般在10 以下 9 炭制品的孔隙率与理化性能的关系 一些研究资料认为 炭和石墨制品的气体渗透率是开口孔隙的多次方函数 机械强度是封闭孔隙的多次方函数 热膨胀系数与封闭孔隙的大小呈线性关系 弹性模量 热导率与开口孔隙也是呈线性关系 对石墨电极而言 在成品孔隙率增加的同时 体积密度减少 电阻率提高 机械强度下降 孔隙率较大的石墨制品在一定温度下氧化速度较快 耐腐蚀性能降低 气体或液体更容易渗透 10 石墨制品试样浸渍前后孔隙率与体积密度的变化 举例 指标未经浸渍经过一次浸渍经过二次浸渍 体积密度 g cm31 531 681 79孔隙平均半径 m5 263 744 53孔隙率 31 2423 5218 00理论孔隙率 32 4125 6620 57未填满的孔隙 1 172 162 57 11 开口孔隙率的测定 为了比较浸渍效果 需要事先测量开口孔隙率的大小 开口孔隙的大小可以通过试样的水分吸收率进行测定 测定方法为将定量的试样称重后 放入定量的蒸馏水中煮沸3小时 再精确测定试样在蒸馏水中所占有的体积 然后取出试样揩干其表面并称重 开口孔隙率的计算方法如下 开口孔隙率 P2 P1 V 100 式中P1 试样原重 g P2 吸水后试样重 g V 试样在蒸馏水中所占的体积 cm3 普通石墨制品的开口孔隙率占总孔隙率的90 以上 12 多次浸渍对孔隙率的影响 经过浸渍及再次焙烧后 开口孔隙不断为沥青焦填充 开口孔隙率占总孔隙率的百分比逐步下降 即闭口孔隙率占总孔隙率的比例不断提高 实验数据举例见附表 浸渍次数总孔隙率开口孔隙率闭口孔隙率闭口孔隙率 总孔隙率 028 3271 30 05121 7183 70 1721914 54 50 29317 412 25 20 30 13 浸渍生产系统 浸渍生产系统的主要设备是浸渍罐 高压釜 其它附属设备有预热炉 真空排气设备 加压装置 空压机 高压氮气容器 和沥青熔化设备等 按浸渍工艺条件区分可将浸渍操作分为低真空 低压浸渍和高真空 高压浸渍两种 并可分间歇操作或半连续操作两类生产系统 14 低压浸渍罐 浸渍罐为卧式或立式 一般用压缩空气加压 低真空 低压浸渍对体积密度较低的中小直径产品可以浸透 但对中等体积密度的中直径产品或大直径产品一般只能浸入半径的30 70 附图为中国炭素厂典型的老式低真空 低压卧式浸渍罐示意图 这类浸渍罐是用高强度钢板制成的圆筒 一头封闭 另一头安装可开闭的罐门 浸渍罐容积可大可小 浸渍罐可以卧放 也可以立放 立式浸渍罐的容积利用率较高 但开闭罐门及装卸产品要用吊车进行 比较费事 15 卧式低压浸渍罐示意图 16 立式浸渍罐工艺流程示意图 17 典型的低真空 低压卧式浸渍罐设备规格及主要技术指标 卧式浸渍罐内径 mm1500浸渍罐长度 mm3300浸渍罐容积 m35 8加压压力 MPa0 45 0 5真空度 kPa15左右每次装入产品数量 t2左右浸渍增重率 第一次浸渍 12 15年产能力 t3000 18 带有副罐的高真空 高压浸渍系统 这一套浸渍系统首次设计了具有多种功能的副罐 副罐通过管道 阀门与主罐 浸渍罐 及沥青贮罐 真空泵 氮气加压装置 烟气净化设备等相连 根据帕斯卡定律 加在密闭容器内的流体任一部分的压强 必然按照其原来的大小由流体向各个方向传递 即各处压强相等的原则 因此可以通过操纵副罐来控制主罐内的压力 19 高真空 高压浸渍工艺示意图 20 副罐的作用1 1 因副罐可容纳一定数量的沥青 在进行浸渍作业时 可以补充沥青的消耗 保证沥青能淹没产品 即使是位于主罐顶部的产品也能浸在沥青中 从而可使主罐的容积得到充分利用 提高了主罐的生产能力 21 副罐的作用2 2 由于有副罐的容积作为缓冲区 在向主罐注入液体沥青时 可不仃止真空排气 一直到液体沥青充满主罐后继而上升到副罐一定位置时再停止真空排气 在主罐内真空度不降低的情况下 沥青容易渗入产品孔隙内 有利于提高浸渍质量 22 副罐的作用3 4 3 过去没有副罐 由于罐内沥青数量随浸渍过程的进行而不断减少 罐内压力易发生波动 增设副罐后 能对压力起平衡和稳定作用 4 由于副罐的调节及缓冲 加上压力管增加了10米高的位差 一般情况下可以避免由于液体沥青误抽至真空系统而造成的事故 23 卧式高真空 高压浸渍系统的主要技术性能 技术性能单位主罐 副罐 型 型 型 型 浸渍罐内径 mm22002200 9001300浸渍罐外径 mm25682660 11541300浸渍罐长度 mm74009595 45006500浸渍罐容积 m32635 2 86 0每罐装入量 t1215 浸渍压力 MPa1 21 2 1 21 2真空度 kPa8 78 9 工作温度 不大于300300 浸渍增重率 第一次浸渍 12 1812 18 每罐年产能力 t800012000 24 吉炭从德国引进的高压浸渍车间内景 25 单管式半连续浸渍生产系统 专门用于生产直径600mm及其以上石墨电极的这种浸渍生产系统由一台加热炉及一台内径700 800mm 长10 20m左右的浸渍管组成 浸渍管为双层 夹层内通导热油加热 在加热炉内加热到指定温度的焙烧品滚动到顶推机上 再推入浸渍管中 每根浸渍管可放进2 5m长的焙烧品4 8根 关闭管门 先进行真空排气 排气结束后由沥青泵输入浸渍剂 26 单管式浸渍的加压 由浸渍剂 煤沥青 自身的压力加压 压力达到1 5 1 6MPa 加压结束后 排出浸渍剂 打开浸渍管的两头管门 在一头顶入待浸焙烧品的同时 将已经浸渍过的产品从浸渍管的另一头推出来 滚进水池中冷却 一次浸渍周期为3 4h 这种浸渍设备生产单一规格产品时效率较高 但不适用于多规格产品生产 27 单管式浸渍车间顶送电极机架 28 待浸焙烧品的预热 为了使液体浸渍剂较易进入焙烧品的孔隙内 焙烧品必须预热到高于液体沥青的温度 预热的关键问题一是达到规定温度 二是在预热过程中产品不要氧化 预热的设备有3种 1 焰气加热2 远红外线加热3 通电加热 类似串接石墨化的加热方法 29 中国工业对真空度的3种表示方法 1 用高压容器内的绝对 剩余 压力值来表示 2 用大气压力与绝对 剩余 压力的差值 亦即真空值 真空表读数 来表示 3 用真空值与当地大气压力比值的百分数 百分率真空度 来表示 30 真空度的表示方法 吉炭的老浸渍装置的真空度用绝对压力表示为10 15kPa 吉炭引进德国菲斯特浸渍装置合同规定真空度 绝对压力 1 5kPa 若考虑吉林的海拔高度为184米 其大气压为98 7kPa 若用真空值表示这98 7 1 5 97 2kPa 若用真空值与当地大气压比值的百分数来表示 则等于 97 2 98 7 100 98 5 真空值的保持很重要 罐门密封好不好影响真空度 试验方法是在达到指定真空度后 关闭真空泵并保持30秒 如损失1 0kPa 说明密封不好 应进行检查 直到问题解决 31 真空排气设备 浸渍过程中的真空排气对浸渍质量至关重要 真空泵种类很多 炭素厂常用的真空泵有下列几种 1 往复式真空泵这是一种靠活塞的往复运动使泵腔 气缸 的工作容积周期性地变化实现排气的真空泵 工作时 吸气管接通需要抽真空的容器 排气管直通大气 往复式真空泵排气量大 排气速率范围为45 20000m3 h 但是真空度只能达到10 13kPa 32 真空排气设备2 2 水环式真空泵靠偏置叶轮在泵腔内的回转运动使工作室容积周期性变化以实现排气的真空泵 它的工作室由旋转液环和叶轮构成 运转时工作室吸气口接通需要排气的容器 因为泵腔内充水 所以称水环式真空泵 这种泵的排气速率范围为0 25 500m3 h 达到的真空度和往复式真空泵差不多 同样满足不了高真空要求 33 真空排气设备3 3 水环 大气喷射泵机组 见附图 该机组是结合水环式真空泵和大气喷射泵两种真空泵的特点加以组合设计的 当开动水环式真空泵时 造成大气喷射泵工作所要求的预真空喷嘴的进气口和排气口之间有了压差 气体便通过喷嘴流入泵内 34 水环 大气喷射泵示意图 35 加压系统有3种方式 1 压缩空气加压这是一种最简单的加压系统 见附图 由空气压缩机 空气贮罐和气水分离器等组成 投资低 操作简单 生产费用也低 但是由于一般空气压缩机的出口空气压力只有0 8MPa 到达浸渍罐的实际使用压力只有0 5MPa左右 所以只能适用于中小规格产品的第一次浸渍 36 压缩空气加压系统示意图 37 第2种加压方式 2 高压氮气加压这种加压系统设备也很简单 但是需要有廉价的氮气来源 高压氮气加压系统由氮气贮罐 充气装置 减压阀等组成 也可以用小型氮气瓶经过减压阀直接向浸渍罐供气 氮气瓶的充氮压力可达12MPa 一般浸渍压力都在2MPa以下 所以使用高压氮气加压的浸渍罐压力可在较大范围内随意调节 38 高压氮气加压系统示意图 39 第3种加压方式 3 沥青泵的液体加压 见附图 这是最先进的加压方式 即利用沥青自身作为加压介质 用沥青泵打入浸渍罐直接对浸渍罐内产品加压 可以防止因压缩空气或氮气 均为常温 进入时对浸渍罐的降温作用 减少真空排气及注入沥青的时间 有利于提高浸渍设备的生产率 而且液体加压对压力设备的使用比较安全 沥青泵一般采用双级旋塞式泵 其工作压力可达1 5MPa 流量60 1250L min 为防止少量泥沙杂质对沥青泵工作的不利影响 在沥青输送管路中应增加过滤器或过滤网 并定期清理 40 液体沥青加压系统示意图 41 浸渍工艺 1 焙烧品预热温度和预热时间 2 真空度和真空排气时间 3 浸渍剂的预热温度和浸渍罐的预热温度 4 浸渍时的加压压力和加压时间 42 焙烧品的预热温度和预热时间 产品预热温度和预热时间是一项重要的浸渍工艺参数 对浸渍质量和浸渍生产成本都有一定影响 预热温度不足将影响沥青对焙烧品孔隙的渗透 预热温度和预热时间应该根据产品的直径 焙烧品的热导率 浸渍剂的软化点和粘度等各项因素综合后确定 43 预热温度及预热时间 预热温度应保证焙烧品在规定时间内达到温度要求 芯部温度 而又不致引起产品氧化 实践经验得知 使用焰气预热时最佳预热温度 炉内热介质温度 为350 30 产品芯部温度应该达到220 以上 预热时间按此要求决定 见附表 44 各种规格焙烧品的最佳预热时间 加热焰气温度为350 30 焙烧电极直径预热时间 焙烧电极直径预热时间mmh mmh 1081 5 2 5 3644 0 5 01642 0 3 0 4165 0 6 02142 5 3 5 5186 5 7 52643 0 4 0 6208 0 9 03143 5 4 5 72510 0 11 0 45 真空度和真空排气时间 真空排气的目的是排出产品开口孔隙内的气体 以利于浸渍剂的渗透 真空度的高低及真空排气时间的长短意味着气体的排出数量 并将直接影响浸渍增重 附图为在实验室条件下真空度与浸渍增重的关系曲线 附表为达到指定真空度以后维持时间与浸渍增重的关系 目前采用的高真空浸渍 真空度达到1 3 4 0kPa 与过去的低真空浸渍 真空度为10 15kPa左右 相比 在其它条件相同的情况下浸渍增重可提高1 3 真空排气时间一般不应少于30min 46 排气真空度与浸渍增重的关系 47 在指定真空度下排气时间与浸渍增重的关系 实验数据 半成品体积密度真空度真空排气时间浸渍后增重g cm3kPamin 1 582131013 71 584132016 11 526133018 51 523134019 01 557134018 4 附注 浸渍温度为200 浸渍压力为0 8MPa 加压时间为2h 48 浸渍剂沥青预热温度和浸渍罐的加热温度 这两种温度都与浸渍剂的粘度有关 预热温度和加热温度应当保证浸渍剂的流动性处于良好状态 粘度比较低 易于渗透进产品的孔隙中 但是温度太高也不好 因为不希望浸渍剂在浸渍时大量分解与排出挥发分 一般软化点为65 75 的中温沥青当加热到180 左右时 粘度变化已经很小 而轻质组分已经开始分解挥发 浸渍剂的预热温度保持160 180 即可 浸渍温度也保持同一温度范围 49 鞍山中温沥青在130 200 之间的粘度变化 温度 130140150160170180190200 粘度 Pa s1882814417218118765036 附注 鞍山沥青试样的环球法软化点为84 4 50 在不同浸渍温度下的浸渍增重 焙烧品体积密度浸渍温度浸渍后增重g cm3 1 65418012 11 67721011 91 6662507 4 过高的浸渍温度没有好处 51 浸渍加压压力及加压时间 浸渍剂浸入产品的孔隙主要靠毛细管作用和渗透作用 毛细管作用受孔隙孔径及固体和液体界面作用力的影响 而渗透作用则受渗透系数和浸渍剂粘度的影响 并与加压压力和加压时间有关 附表1为浸渍时加压压力与浸渍后增重率的实验数据 附表2为加压时间与增重率的实验数据 52 不同规格产品的加压压力和加压时间 对体积密度不大的中 小规格产品的浸渍压力保持0 8MPa左右即可以 但对大规格产品及浸渍前密度较高的产品 如第二次或第三次浸渍 必须将加压压力提高到1 0 1 5MPa 时间也应当稍长一些 以便达到将焙烧品浸透的效果 53 浸渍压力与浸渍后增重的关系 半成品体积密度浸渍压力浸后增重率g cm3MPa 1 5170 414 51 5900 6215 51 5890 816 11 5740 9518 41 5331 2518 11 5731 416 41 5471 416 731 4991 418 5 附注 真空度10kPa 抽真空时间30min 浸渍温度200 加压时间2h 54 加压时间与增重率的关系 在其它工艺条件相同的情况下 对大规格产品加压时间应适当长一些 如不少于3h 对中小规格产品可以缩短到2h左右 对体积密度较高的细颗粒结构石墨有时需要用高压浸渍工艺 压力提高到2 0 4 0MPa 半成品体积密度加压压力加压时间浸后增重率g cm3MPah 1 5480 8216 11 5670 8316 71 6100 83 516 2 附注 实验样品为直径300mm 浸渍温度200 55 多次浸渍对孔隙率的影响 对原来是中颗粒结构石墨制品来说 经过一次浸渍循环的石墨制品体积密度可增加0 1g cm3左右 孔隙率可下降5 8 经过两次浸渍循环的同一制品体积密度再次增加0 07g cm3左右 孔隙率继续减少2 3 而第三次浸渍后同一制品的体积密度只增加0 05g cm3左右 孔隙率仅能下降1 2 因为用煤沥青浸渍时主要对孔径大于2