第七章焙烧工艺炭素材料》教学课件.ppt

1、第七章炭素材料的焙烧过程，7.1概述，7.2焙烧过程，7.2.1焙烧过程中产品的物理化学变化，7.2.2焙烧曲线的制定，7.2.3焙烧过程中影响产品质量的因素，7.3炭素焙烧产品的缺陷分析，7.4焙烧炉，7.4.1几种焙烧炉的比较，7.4 7.4.3隧道窑简介(自学)，7.1总结，焙烧是在一定加热条件下加热压制碳块(生块)的热处理过程把粘合剂(煤焦油沥青)变成焦炭。由于生坯中的沥青被牢牢包裹在碳粒之间的过渡层中，当其在高温下转化为焦炭时，在半成品中形成界面碳栅层，具有架桥和增强的作用。焙烧炭制品的机械强度稳定，其导热系数、电导率和耐高温性能均有显著提高。焙烧过程是一个复杂的过程，伴随着许多化学

2、变化，影响焙烧过程的关键技术参数是焙烧温度。焙烧是影响炭素制品理化性能的关键过程。焙烧的几个具体目的：(1)粘结剂的结焦：原料产品按一定的工艺条件进行焙烧，使粘结剂结焦，在骨料颗粒之间形成焦炭网格，不同尺寸的骨料牢固地连接在一起，使产品具有一定的物理化学性能。在相同条件下，结焦速率越高，其质量越好。软沥青的结焦残炭率一般在50%左右，高温(改性)沥青的结焦值为5560。(2)固定几何形状：在烘焙过程中，绿色产品软化，粘合剂迁移。随着温度的升高，结焦网形成，使产品变硬。因此，如果温度再次上升，它的形状不会改变。(3)降低电阻率：在焙烧过程中，由于挥发分的去除，沥青焦化形成焦炭网格，沥青分解聚合形

3、成大的六角碳环平面网络等。绿色产品的电阻率约为1000010-6m，焙烧后降至405010-6m，成为良导体。(4)进一步的体积收缩：烘焙产品的直径、长度和体积收缩率分别约为1%、2%和23%。7.2焙烧过程，7.2.1焙烧过程中产品的物理化学变化，焙烧过程中产品的化学变化主要是煤焦油沥青的焦化过程，即煤焦油沥青的分解、环化、芳构化和缩聚的综合过程；物理变化是指产品的体积密度、真密度、孔隙率、强度、硬度和导电性的变化。第一阶段(400以下，去除水分和低分子有机物):当烘烤产品温度达到200左右时，产品的粘结剂开始软化，导致产品软化和体积增加，但质量不下降；当加热到200300时，产品中的吸附水

4、、结合水和低分子烷烃被除去。同时，在这个温度范围内，会发生自由基反应。在获得一定的能量后，非芳香物质将从气态或液态的基本结构单元中分离出来，在400时最为突出。此时，沥青的粘附能力下降。第二阶段(400700，半焦的形成过程):当温度继续升高到400以上时，一方面，热分解更加剧烈，主要是由于甲基和较长侧链的分解产生低分子化合物，如甲烷、氢气、一氧化碳和CO2另一方面，当芳烃的基本结构单元为500650时，碳环聚合形成半焦，产品开始硬化，同时体积收缩，电导率和机械强度增加；高于570的半焦被热解，并在产品表面形成致密牢固的碳层。第三阶段(700900，沥青焦化过程):700后，半焦结构急剧分解，

5、产生大量氢气和一氧化碳，芳碳核结合程度显著提高，焦炭逐渐形成。同时，一些对热不稳定的原子从粘合剂的基本结构中损失，并且发生剧烈的分解反应。同时，反应原子六边形网状平面，构成随机堆积结构的基本单位。当它达到约900时，这种二维排列的碳原子网格进一步脱氢和收缩，成为沥青焦炭。粘结剂结焦过程随温度的变化见图5-1。图5-1给出了温度范围内加热变化的概述。第四阶段：(900以上，化学变化停止，物理变化深度继续)。当烘烤温度超过900时，挥发性物质基本耗尽，然后继续加热，产品本身的化学变化逐渐停止，内外收缩微弱。为了提高结焦程度，进一步提高各种理化指标(如真密度、孔隙率、强度、硬度和电导率等)。)，产品

6、温度将继续上升到10001200。在这一阶段，加热速度可以加快而不影响产品质量，温度达到最高温度后将保持1520小时。第五阶段：冷却阶段，高温阶段应控制好冷却速度，一般最好控制在50/h，可自然冷却至800以下，400以下出炉。7.2.2焙烧曲线的制定碳产品的焙烧过程是通过实施从加热到冷却的温度系统来完成的。因此，在焙烧过程开始之前，必须制定出合理的焙烧曲线。焙烧各阶段的升温速率决定了产品的物理和化学变化。应当确保产品中的反应过程以这样的速率进行，即产品在软化阶段不会变形，并且产品在粘合剂的热分解中不会弯曲、变形或破裂以形成固体碳残余物，并且应当获得最大的碳残余物和骨料烧结强度。在产品温度达到

7、400之前，产品没有明显的物理和化学变化，加热速度可以适当加快。否则，会产生短的变形废品。900后，粘结剂的结焦过程基本结束，升温速度加快。这就是所谓“两头快，中间满”的原则。当然，在实际生产中，焙烧曲线的确定主要是基于焙烧过程中各种理化指标变化的客观情况，同时还应考虑产品类型、规格、填料性能、炉膛结构和操作炉膛数量等因素。(1)根据产品在焙烧过程中的变化规律，焙烧曲线应适应沥青挥发物的排放速度和沥青结焦的物理化学变化。这是制作焙烧曲线的理论基础。(2)根据产品类型和规格，曲线炭块未石墨化，烧成温度略高于电极温度，即1300。电极需要石墨化，烧成温度为1200。碳电阻棒要求高电阻率，因此最高温

8、度控制在1000。大直径产品横截面大，内外温差大。为了减少裂纹废品，曲线需要更长，加热速率应该更慢，而小直径产品则相反。(3)根据炉型结构制定曲线炉体结构对焙烧曲线影响很大。例如，在有火井盖的焙烧炉中，使用500mm电极的280h曲线的焙烧质量优于没有火井盖的320h曲线。而容器焙烧采用280h曲线焙烧600mm电极，获得了良好的质量。(4)根据填料和燃料的类型绘制曲线。不同类型的填料有不同的曲线。例如，当安装400毫米电极时，两种填料的焙烧产率有很大不同。煅烧冶金焦的焙烧产率为72%，而河砂的焙烧产率仅为42%。这表明，由于不同类型的填料，同一曲线不能用于大型产品。(5)根据不同的压制产品，

9、制作烘烤曲线，不同的骨料粒径、油量和压制方法，烘烤曲线不同。对于体积密度较大的产品，加热速度应较慢；对于体积密度小的产品，加热速度应该更快。不同粘结剂用量的产品具有不同的升温速率，升温速率可以是如果超高功率电极的最大粒径为8毫米，普通电极的最大粒径为4毫米，那么它们的温升曲线是不同的。7.2.3烘烤过程中影响产品质量的因素：(1)产品堆密度随粘结剂软化点的变化值随着粘结剂软化点的增加而增加。当粘结剂的软化点从51.5增加到85时，其密度从1.32克/立方厘米增加到1.35克/立方厘米。(2)当捏合温度和时间不变时，电极产品的膨胀和质量损失随着捏合温度的增加而减小，而当捏合温度不变时，电极产品的

10、膨胀和质量损失随着捏合时间的增加而减小。在实际生产中，选择合适的捏合时间和捏合温度可以有效地减少产品受热时的这些变化。从减少焙烧过程中产品体积变化的角度来看，最适合所研究的骨料配方组成(最大粒径小于4毫米)，混合温度为170，混合时间为60分钟。(3)粘结剂含量生坯中粘结剂含量增加，烘烤过程中产品体积的变化速度和数值急剧增加，产品的变形程度也增加。当糊状物中粘合剂的含量超过最佳值时，产品的膨胀在烘焙开始时增加；当粘结剂热解时，焙烤产品的绝对收缩率降低，质量损失率和总损失量增加，变形和裂纹废品增加，焙烤产品的物理和化学性能变差。(4)产品加热速度在实际生产中，加热速度首先取决于产品的直径和炉膛内

11、温度分布的均匀性。随着产品直径与炉膛容积之间温差的增大，产品的加热速度应减慢。例如，石油焦电极产品的总加热速率与其直径之间的关系如表所示。此外，在2007年，这是一个挥发性物质大量排放和沥青焦化的时期。为了提高沥青的残炭率，改善产品的各种理化性能，现阶段必须严格控制升温速率。如果温度上升太快，挥发性物质将迅速消失，产品将会破裂。同时，产品结构松散，孔隙率增加，堆积密度降低。(5)最终焙烧温度经验证明，焙烧产品的最终焙烧温度不低于800，可以保证石墨化炉快速加热过程的完整性。同时，当石油焦电极焙烧温度提高到800以上时，石墨化产品的性能可以得到很大程度的改善，如下表所示。(7)装料方式和炉箱条件

12、的经验表明，不遵守装料方案、装料顺序、装料条件和违反产品在炉腔内的密封条件将导致废品变形和开裂。(8)填料的性质填料的体积密度和导热系数随含水量的增加而降低，但压缩性增加。水性填料会导致变形和产品不燃烧。(9)当冷却速率从100增加到800时，对于直径为555毫米、300毫米和250毫米的产品(浸渍产品)，在产品表层(1015毫米深)上产生的热应力分别从1.0兆帕、1.2兆帕和1.8兆帕增加到12.0兆帕、15.2兆帕和19.4兆帕。在距表面5060毫米处，同一产品的应力分别从0.6、0.8和1.2兆帕增加到7.5、8.5和13.6兆帕。(6)电极长度和直径方向温差的存在决定了热处理过程中加热

13、速度和最终温度的差异，使得煅烧产物和石墨化产物的最终性能长度不均匀。7.3碳素焙烧产品的缺陷分析焙烧后的产品检验不可避免地会出现一些缺陷。分析缺陷产生的原因，调整制备工艺，有利于提高产品的质量和产量。一般产品的缺陷如下：(1)纵向裂纹(1)生坯装入炉内时，离火墙太近，导致局部温升过快。坯体局部表面挥发性物质分解速度过快，导致坯体膨胀和收缩不均匀。(2)测试2)横向裂纹(1)挤出成型时，糊料温度低，挤出压力不足或时间短。(2)当挤出机的压柱塞返回时，物料室中的糊料破裂，再次挤出时，糊料粘结不良。(3)两种浆料差别大，结合不好，坯体内部结构有缺陷。(4)原料煅烧程度不够，骨料颗粒在煅烧过程中产生二

14、次收缩，可能导致产品表面出现不规则的小裂纹(网状裂纹)。(5)粘结剂用量较少。(6)温度上升过快，导致上下温差过大。(7)加热过程中停炉时，外部氧气通过填料渗透到产品表面，粘结剂氧化，导致体积密度变化大，产品边界明显，产生裂纹。3)弯曲和变形(1)生糊含有大量粘合剂，在烘烤过程中易于弯曲变形。(2)装料操作不当，如装料箱温度过高，装料时间过长，装上坯体后未能及时用填料填充和固定坯体。(3)填充材料含水量大，产品周围没有因填充或脱落材料造成的局部空白区域。(4)装炉时，坯体不垂直，或上下产品配合不合理，下产品压力大，容易弯曲变形。(5)炉膛状况不佳，导致局部填料遗漏或被吸走，没有空白区域。4)氧

15、化(1)当产品被装入炉中时，坯体周围的填料没有被填充，或者当烘烤时，填料局部下沉，导致产品局部暴露于高温。(2)顶部填料厚度不够。(3)产品没有及时分散，聚集在一起，导致温度上升。(4)炉箱砌体有裂缝，高温气体进入料箱与产品接触。(5)重复焙烧，氧气渗透填料，氧化表面。5)碳罐塌陷或变形(1)装料时，填料不会填充碳罐的空间，当其周边软化时，碳罐由于重力而分离。(2)在烘烤和软化阶段，由于停电和负压停止，产品的温度上升被中断和间歇，导致炭碗的温度上升和下降突然变化，这在低温预热阶段需要很长时间。(3)形成的糊状物的成分不均匀，或者在生碳碗区域中存在应力或裂纹缺陷。(4)粘结剂用量过大，骨料在软化阶段下沉。(5)骨料粒径大，比表面积小，骨料与粘结剂的接触面积小，导致生坯焙烧时粘结剂迁移和变形。7.4焙烧炉，这是一种用于焙烧和热处理成型碳产品的热设备。目前，我国焙烧工艺中广泛使用的窑炉有：倒焰窑、隧道窑、电焙烧炉和环形焙烧炉等。最典型的是环形焙烧炉。虽然焙烧炉的种类很多，但作为炭素制品的焙烧设备，它们有以下共同的特点：(1)焙烧过程中会排放大量的挥发性物质。一部分在炉中燃烧，另一部分进入烟道