炭素材料的生产Word格式.docx

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脱除QI的方法有

（1）过滤分离法：

采用加压加热过滤或真空过滤将QI除去

（2）离心分离法：

在离心力场中借离心力使煤焦油或沥青中QI除去

（3）溶剂法：

加入合适的溶剂，使QI颗粒凝聚成絮状，经静止后，用倾析法提取澄清液。

（4）闪蒸分馏发：

将原料通过真空闪蒸，提取合适的馏分，再经聚合，得到精致沥青。

2.1.3针状焦的性质与质量指标

针状焦热膨胀系数小，电阻率低，耐热震性能好，是生产超过功率石墨电极必需的原料。

国际上根据针状焦品质高低分为：

a（超级针状焦）；

b（高级针状焦）：

c（普通针状焦）；

d（半针状焦）四个级别，其中超级和高级针状焦是生产朝贡功率石墨电极的理想原料，普通针状焦和部分半针状焦为生产高功率石墨电极的原料。

高级针状焦质量指标：

灰分不大于0.1%

水分不大于1%

馏分不大于0.2%

真密度不小于2.12g/cm3

钒含量不大于3*10-6

热膨胀系数不大于1.0*10-6/°

C

2.2煅烧工艺及主体设备选择

煅烧是生产炭素制品的第一道工序，煅后料的质量直接影响炭素产品的质量。

炭质原料中由于氢以碳氢化合物的形式存在，且与碳原子的价电子结合。

碳原子失去自由电子，这就使石油焦原料在煅烧前有较高的电阻率。

但煅后焦的性能与其内部结构有直接关系，石墨层排列有序，点（层）堆积缺陷少，石墨化程度高，则电导率就高，质量就好。

一般认为煅烧机理是，在煅烧初期，原料中挥发分逸出，氢含量降低，体积收缩，真密度提高；

随煅烧温度的提高，虽然挥发分排除量减少，但热解反应加快，碳氢键断裂，氢排除，碳原子由结合状态解放出来，使煅烧原料导电性提高，电阻率降低，体积进一步收缩。

而煅烧料真密度的提高，主要是由于煅烧料在高温下不断逸出挥发分并同时发生分解、缩聚反应，导致结构重排和体积收缩的结果。

同样的生焦质量，煅烧温度越高，晶体缺陷越少，煅后焦挥发分越低，真密度越高。

经煅烧能够除去生料中的水分，挥发份及部分的硫，同时经煅烧后原料的体积收缩稳定，各种物化性能指标大幅度改善、提高，对提高最终产品的质量起着十分重要的作用，煅烧后原料的质量指标见表一。

表2-1燃烧料质量指标

指标

项目

比电阻Ωmm2/m

比重g/m3

灰分%

石油焦

沥青焦

无烟煤

<

5.5

6.5

<

12.0

2.08

2.05

0.73

1.0

1.1

适用于大型煅烧设备主要有回转窑和回转床。

2.2.1煅烧原理

炭素原料在隔绝空气的条件下进行高温（1200-1500℃）热处理的过程成为煅烧。

煅烧是炭素生产的预处理工序。

各种炭素原料在煅烧过程中冲元素组成到组织结构都发生一系列显著地变化。

无烟煤、石油焦和延迟沥青胶都含有一定数量的挥发分，需要进行煅烧。

冶金焦和焦炉生产沥青胶的成焦温度比较高（1000℃以上），相当于炭素厂的煅烧温度，可以不再煅烧，只需烘干水分即可。

天然石墨为了提高其润湿性，也可以进行煅烧。

一般来说，煅后料比较脆，便于破碎、磨粉和筛分。

2.2.2煅烧的目的

（1排除原料中的水分：

是炭素原料的体积充分收缩，提高其热稳定性和物理化学性能。

进仓原料的水分一般在3%-10%之间。

原料如果含有较多的水分，不便于破碎等作业的进行，并影响原料颗粒对粘结剂的吸附性，难以成型，故一般要求煅后料水分不大于0.3%。

（2）排除原料中的挥发分：

如果原料的挥发分过高，则生制品在焙烧过程中，将发生过大的收缩，以至于变形，甚至导致生制品的断裂。

多以必须排除原料中的挥发分。

（油焦成焦500℃，V500～800℃快，800～1100℃较缓）

（3）提高原料的密度和机械强度：

经过煅烧原料体积收缩，密度增大，强度提高，同时获得了较好的热稳定性，从而减少制品在二次煅烧时产生二次收缩。

（1000℃前缩聚反应，线性升；

1000～1100平拐点，后体积收缩度继续升高）

（4）改善原料的导电性能：

原料经过煅烧后分子结构发生变化，电阻率降低从而提高了原料的导电性。

电阻率的变化500～800℃，1230；

800～1000℃缓变；

1000～1300少量

（5）提高原料的抗氧化性：

原料经过煅烧，随着温度的提高，通过原料的热解和聚合过程，氢、氧、硫等杂质相继排除，化学活性下降，物理化学性质趋于稳定，从而提高了原料的抗氧化性。

2.2.3煅烧前后焦炭结构的变化

各种炭素原料在煅烧过程中，先后进行了热分解和热缩聚以及碳结构的重排。

随着缩合反应的进行，发生了晶粒互相接近，导致原料因收缩而致密化。

这种收缩知道挥发分排才结束。

煅烧过程中，加热制度对煅烧料的晶体尺寸也有影响。

表1所示为加热制度对石。

焦晶体尺寸的影响。

由表1可见，当加热到700℃保温1h后，再升温到1000℃，将使煅烧后焦炭的晶粒变小。

这也说明，在700℃附近，焦炭晶格的层状结构正经历断裂HC二和重排。

由于断裂，产生大量自由基，在此温度区间内保温，促使焦炭中交叉键增多，抑制了焦炭层面问的有序排列。

2.2.4煅烧前后物理化学性质的变化

在煅烧过程中，焦炭的物理化学性质发生了明显的变化。

表2-2-1为我国各种原料在煅烧前后的理化性质指标

图2-2-1中国各种炭素原料煅烧前后物理化学指标

（1）煅烧前后焦炭氢含量的变化：

随着热处理的进行，焦炭发生脱氢反应，氢含量降低。

挥发分700℃大量H；

1000℃挥发物中80～90％H；

H与收缩、电阻相关，要求<

0.05％，适宜温度1230～1280℃。

（2）煅烧前后焦炭硫含量的变化：

因为高温可以出尽健谈结构重排，使C-S的化学键断裂，所以焦炭硫含量降低。

。

如图2-2-2所示，硫在煅烧温度达到1200--1500℃的范围内才能大量排出。

在煅烧无烟煤时，含硫量可降低30％-50％。

图2-2-2石油焦含硫量与煅烧温度的关系

（3）煅烧前后焦炭的收缩和气孔结构的变化：

煅烧时焦炭的体积收缩时挥发分排除所发生的毛细管张力以及结构的化学变化，使焦炭物质致密化。

图2-2-3是石油焦和沥青焦煅烧时的线尺寸变化曲线。

从图中可见，所有曲线都有两个拐点，第一拐点相应于焦炭生成时的温度，显示在该温度下焦炭是受热膨胀的，第二个拐点相应于焦炭的最大收缩期。

它们收缩量的绝对值视焦炭品种和横向交联发展程度而定。

对于气孔结构来说，在700～1200℃之间气孔的总体积大幅度增长，它与700℃时气体的大量析出有关。

由于气体的析出产生了开口气孔。

当温度提高到1200℃以上时，气孔的体积由于焦炭收缩而减小，大部分转变为连通的开口气孔。

（<

700热解与缩聚，700～1000缓，>

1000微裂纹）

图2-2-3石油焦和沥青焦煅烧时的收缩

（4）煅烧前后焦炭导电性的变化：

焦炭导电性的变化与其结构变化相关，它取决于共轭兀键的形成程度。

煤和焦炭的导电性是碳原子网格中共轭丌键体系的离域电子的传导性的反映，它随六角网格层面的增大而提高。

图2-2-4表示焦炭的电阻率与热处理温度的关系，曲线可分为四个温度区：

500～700℃时，焦炭的电阻率最大；

700～1200℃的范围内，焦炭的电阻率呈直线下降，从107Ω.cm降到10-2Ω.cm；

1200～2100℃范围内，电阻率变化甚少；

2100℃以上，电阻率随热处理温度升高而进一步降低，这时与焦炭的石墨化有关。

由此可见，在煅烧过程中，焦炭的电阻率随煅烧温度提高而直线下降，到12001℃后转为平缓。

图2-2-4石油焦的电阻率与热处理温度的关系

2.2.5煅烧温度于煅烧质量指标

（1）煅烧温度对焦炭性能的影响：

煅烧温度对煅后焦的性能有十分重要的作用。

一般情况下，煅烧温度应该高于焙烧温度。

煅烧温度影响到压制半成品在焙烧和石墨化过程中的收缩率。

如煅烧温度过低，炭素原料得不到充分收缩，其热解和缩聚反应深度不够，使生坯在焙烧和石墨化时收缩率增大，会造成半成品的变形或开裂，影响产品的工序成品率；

煅烧温度过高（在电煅烧炉中是常见的），则由此生产的生67如叫煅坯在焙烧和石墨化时收缩率减少，其收缩仅靠黏结剂提供，将使成品结构疏松，影响成品的体积密度和机械强度。

但是为了使煅烧后石油焦收缩到较稳定的程度和晶体排列整齐，适当提高煅烧温度还是有重要意义的。

（2）煅烧温度制度的确定：

真密度可以直接反映原料的煅烧程度。

真密度不合格者，需回炉重新煅烧。

根据真密度可以确定煅烧温度。

炭素原料的煅烧温度一般为1250～1350℃。

但对于不同制品所用原料的煅烧温度是不同的。

例如高功率和超高功率电极比普通石墨电极要求原料焦炭的真密度大，所以煅烧温度高，要达到1400℃或更高一些。

而对于炼铝用阳极来说，原料焦炭煅烧温度应尽量接近于焙烧温度1150℃左右，以防止温度过高引起的选择性氧化。

（3）各种原料煅烧的质量指标:

原料的煅烧质量一般用粉末电阻率和真密度两项指标来控制。

原料煅烧程度越高，煅后料的粉末电阻率越低，真密度越大。

2.2.6煅烧设备

焦炭煅烧工艺视所用煅烧设备不同而异，煅烧设备的不同也影响到煅后焦的质量。

煅烧设备的选型要按照工厂的产品品种、年产量、原料质量、能源供应等情况中和决定。

目前，国内外通用的煅烧炉有一下几种：

罐式煅烧炉、回转窑、电煅烧炉。

回转窑具有产能大，基建设投资小，维修费用低，产品质量容易控制，且容易实现自动化控制等特点。

目前，国内炭素行业采用的回转窑有相对成熟的θ2.2×

45m、θ2.6×

50m及今年研发的θ3×

60m会抓药，若选用成熟的小规格窑型、需要多台，所需设备太熟多，占地面积大，造作人员多。

若采用大型回转窑，又没过metso生产的回转窑其煅后焦生产能力大，可达30t/h以上，占地面积及操作管理人员少。

根据我厂的年产量为2万吨，以及各种因素，我厂的煅烧设备为回转窑（图2-2-5与2-2-6即为回转窑）。

目前世界上太约有85%的煅后焦是回转炉生产的，是应用最广泛的煅烧设备。

它既能生产阳极糊用焦，也能生产高功率及超高功率电极用焦。

回转窑的工艺操作制度包括：

1、装料体积；

2、物料在窑内移动速度，3、温度制度；

4、负压制度。

与罐式煅烧炉不同的是：

罐式煅烧炉的煅烧物料是间接受热的，而回转窑中煅烧物料是受火焰直接加热的。

苏联E．Φ．雷查赫提出窑筒内的装料体积决定于窑筒工作段的尺寸，其填充率大致波动在6～15%范围内。

窑筒直径愈大，填充率愈小，例如内径为l米或小于l米的窑内，允许的填充率为15%，而直径为2.5一3米的仅6%。

但是美国很多大型回转窑，直径虽在3米以上，但其填充率仍能维护在11%左右，生产效率高。

日本的日铁化学公司煅烧延迟沥青焦的回转窑，处理能力为20吨／时，其填充宰l2．5%。

我国现有回转窑的填充率则普遍低（表1—1—2），从各方面看来，美国回转窑的设计和生产技术至今仍居于世界领先的地位。

图2-2-5回转窑

图2-2-6回转窑的炉体结构

回转窑的结构：

煅烧回转窑包括煅烧窑（大窑）和冷却窑（小窑）。

大窑有窑头、筒体和窑尾三部分组成，窑体的大小根据生产需要而定，较小的回转窑内径只有1m左右，长20m左右；

较大的回转窑内径可达2.5-3.5m，长60-70m。

为了使物料能在窑内移动，窑体要倾斜安装，其倾斜度一般为窑体总长的2.5%-5%。

窑体借助大齿轮带动而旋转，齿轮由传动装置带动，由于窑转速需要改变，常用直流电机变速，直流电由交流电机、直流发电机组产生，近年，窑体调速广泛采用转差离合嚣控制装置，它主要是控制交流调速异步电动机（或称滑差离合嚣）的转速。

通过操作主令电位器，实现宽范围无级调速，可以代替整流入电机和饱和电抗器的调速。

也可代替部分直流电动机和无级齿转调速。

这种装置调速范围从0-1400转/分。

依型号不同，其技术特性不同，如工厂采用的ZIK型转差离合器控制装置，它的主要技术特性：

（1）调速范围0-l400转／分范围内调节，如考虑保证一定值的机械特性硬度，则调速范圈应为l0：

1，即124一1240／分。

（2）转速变化率（示机械特性硬度={（1O%荷载时转速—100%负载时转速）/l00%负载时转速}×

l00%）；

负载转矩变化从l00％MH～10%MH时，不大于l0％；

电源电压变化±

l0%时，转速偏差不大于±

5%；

电网频率变化±

5%转速偏差不大于±

5%。

（3）被控电机规范：

离合器原动机功率0．6千瓦～30千瓦，电离合器最小工作电流不小于20毫安，最大工作电流不大于2安，永磁测速发电机输出线电压在1500转／分时为40—50伏之间；

（4）控制装置输入电流交流220伏，输出直流90伏以上

（5）使用工作条件对湿度不超过90%

2.2.6.1回转窑的结构

（1）筒体：

筒体是一个纵长的，有厚钢板卷成圆通并焊接或铆接而成，内衬耐火砖。

筒体借助轮缘安防在托辊上。

轮缘是安装在筒体外壳上的轴钢环。

窑体转动时借助于轮缘在托辊上回转。

为了防止筒体从托辊上华西，在每个轮缘的两侧还要安装挡辊。

筒体的传动装置时由一组齿轮构成的。

电动机经减速机带动齿轮，是筒体转动。

直接装在筒体外壳上的大齿轮称为冕状齿轮。

冕状齿轮室用蛋黄固定在筒体的外壳上，挡外壳受热时可以自由的碰撞。

冕状齿轮应以整个齿面互相结合，两则之间的结合必须平稳而协调。

大窑筒体的转速课用变速电动机的专属变化来调节，一般不超过2.5r/min。

图2-2-7为回转窑筒体参数

图2-2-7

直接安装在圆筒外壳上的大齿轮（又叫冕状齿轮），它的直径较大，六齿轮可拆开，大齿轮用弹簧（或键）固定于圆筒外壳上，这样，当简体受热时可以不受齿轮影响而自由地膨胀。

大齿轮应以整个齿面和传动齿轮相啮，同时两者之间的啮合又须平稳而协调，窑体的旋转次数每分钟1一5转。

窑体圆筒的下端与窑头相连，窑头装放在轨道上，可以移开。

图2-2-8

1一大齿轮；

2—2—减速机

3一电动机；

4一窑筒体

（2）窑头：

排除煅烧料以及喷入燃料的一段成为窑头。

窑头有固定式和可移动式两种。

窑头内衬耐火砖并安装有燃料喷嘴和观测孔。

煅烧好的物料从窑头底部的下料孔落入冷却窑。

在窑头和筒体结合部位装有密封圈，以防止外部空气进去窑内。

图2-2-9窑头护铁板

（3）窑尾：

加入原料以及排出废弃的一端称为窑尾。

窑尾经常做成可以移动的，里面也彻有内衬。

圆筒体与窑尾之间的闻踩里装有密封圈，使窑不致被吸入熘道，从而影响煅烧操作，窑尾与烟囟的烟道相通，烟道下设有存灰室多个，在烟道与排烟机之间，为了充分利用烟气之大量余热，因此安装有余热锅炉（如某厂排烟机型号Y9—35一l#12，电机J0--83—640千瓦）。

未煅烧的焦炭由窑尾料斗经过窑尾的加料机到窑内。

焦炭的加料机，目前采用电磁振动加料机。

例如：

400×

lO00×

150电磁振动给料枧，它的技术特性如下：

给料粒度0—50毫米或者70毫米；

生产能力（以比重1．6吨／米³

料为准）25吨／小时；

给料机双振幅10毫米；

气隙．18～2．1毫米；

频率3000次／分钟；

整流方式，半波整流；

电压220伏；

电流3．4安；

功率0．2千瓦。

（4）冷却窑：

冷却窑是一个钢制圆筒，其倾斜方向与大窑倾斜方向相反。

它的支撑装置及传动装置与圆筒相似。

冷却机是一个比窑筒体直径小些的圆筒，有时叫小窑，为了使煅烧过的焦炭自然移动，它也倾斜安装，其倾斜方向与大窑的倾斜方向相反。

小窑的支承装置与传动装置跟大窑的装置相似。

小窑圆筒在温度高的前头一部分砌以耐火砖内衬，为了使窑内的料更快冷却，通常向小窑中部壳体大量喷水，小窑的下端敲开，其下方装有接料槽和输送机以便及时把煅后焦炭运到料仓。

配套使用的冷却机是一令直径较小的钢制圆筒，钢板厚14-18毫米。

（5）轮带：

轮带是（又称滚轮）一个坚固的大钢圈套装在筒体上，支撑回转窑（包括窑砖和物料）的全部重力；

轮带的重量从20吨（直径3.6m）到100吨（直径5.6m）不等；

轮带附近的壁厚增大，目的是减少托轮的压力而产生的变形。

（6）拖轮：

托轮通过轴承支撑在窑的基础上，轴承安装在水泥墩上。

拖轮需要注意：

轮及轮带表面的清洁；

托轮及轮带表面的光滑；

托轮表面的润滑；

托轮轴的温度；

托轮之间的平衡。

图2-2-10轮带和拖轮的示意图

（7）液压挡轮：

液压挡轮是围绕纵向轴运动的滚轮安装在窑尾轮带靠近窑头侧的平面上。

及时指出窑体在托轮上的运转位置是不否合理，并限制或控制窑体轴向窜动。

（8）传动装置：

保证窑的转数和控制窑的转数

（9）附属减速机、电机：

当窑出现故障或检修时，为保证窑筒体温度均匀，避免筒体变形需缓慢旋转窑（0.1~0.2转/分种），需设置附属电机和减速机。

（10）密封装置：

回转窑是在负压下操作的，在筒体与窑头罩、烟室连接的地方都存在缝隙，为防止漏风，必须设有密封装置，否则会漏风和漏料。

图2-2-11窑头和窑尾的密封

2.2.6.2回转窑的工艺参数

（一）装料容量—料层200～300mm，（影响煅烧、料运动、给热条件）

充填（率）系数：

随φ增大而减小。

φ1m－12～15％；

φ2.5～3.0m－6～8％。

2.2.6.2.2物料在窑内的移动速度—质量、产能

时间过长：

烧损增加，产能低，灰加；

过短：

烧不透。

≮30min

—窑倾角、转速、内径呈正比；

料断面圆心角。

平均转速经验公式：

式中：

D－窑内径；

n－窑转速；

α－物料安息角，45～50度；

β－窑倾角。

物料停留时间：

L：

窑长度,m

产量

r：

料堆积密度；

φ充填率

例题：

L=55m，D=2.3m，n=2.26r/min，窑倾角β＝2.20度，安息角α＝40度,求物料在窑出停留时间T

解1：

＝2.3×

2.26×

2.20÷

1.77÷

＝1.022（m/min）

＝55÷

1.022＝53.82≈54（min）

解2：

＝324×

2.3×

sin2.20÷

（24＋40）

＝1.010（m/min）

＝55÷

1.010＝54.46≈54（min）

答：

物料在这种回转窑内停留时间约为54分钟

2.2.6.2.3窑内的传热与温度

（1）过程描述：

不断旋转——缓慢移动——被加热煅烧。

（2）窑内传热：

上层——高温气体的辐射和对流换热；

下部——窑内衬传导给热；

中部——物料传导获得热量。

转翻——交替

（3）回转窑的温度分布：

干燥预热带——窑尾部。

脱水、排出挥发分，低温端500～600℃，高温端800～1100℃。

10～25m，筒短——烟气温度高。

煅烧带——中部，起点距窑头10m左右。

1250℃～1300℃。

24m——3～5m;

>

30m——8～12m。

与火焰长度相关。

冷却带——窑头端。

7～8m，800～900℃

稳定煅烧带的高温（1300℃），是提高回转窑产量和质量的关键。

（二）影响煅烧温度的主要因素：

（1）煅烧带的长度和位置对于煅烧作业具有重要意义——与烧损、保护窑头、最高温度有关——保证不烧坏窑头的最近距离。

过远：

烧损急剧增加－过多接触空气；

过长：

烧损多；

过剩空气少，挥发分不能充分燃烧，影响窑温；

在窑尾燃烧，尾温高；

——长窑、长带：

加快转速，设置2、3次配风。

（2）燃料量和空气量的合理配比是保证回转窑煅烧温度的关键。

空气过剩系数是衡量燃料燃烧是否合理的标志。

空气过剩系数过大，进入空气多，增加物料的烧损，且使煅烧带后移；

空气过剩系数过小，空气量不足，挥发分燃烧不完全，温度低，物料煅烧不足。

适当的空气管剩系数，挥发分燃烧充分，温度较高，煅烧质量好。

一般空气过剩系数为1.05~1.10。

——正常：

白焰；

较大：

火焰红褐色——一旦发现，及时调整。

（3）给料量的均匀、稳定和连续直接影响到热工制度的稳定性。

料层厚200～300mm。

不均：

温度波动；

料少：

产量低、烧损大；

过量：

烧不透，质量差；

阻力大，烟气流通性差，恶化条件。

（4）负压是窑内煅烧温度控制的重要因素.（窑头的负压在25~30Pa）过大：

1、抽力大，实收率下降；

2、火焰拉长，传热强度削弱，温度降低；

3、挥发分未完全燃烧进入沉灰室、烟道燃烧，烧坏设备。

过小：

1、窑内、外压差小，头、尾冒烟，污染环境；

2、火焰不稳定，燃烧带变短，降产量、质量；

3、烟气流动差，窑内浑浊不清，难观测煅烧温度。

——负压控制是回转窑生产操作的重要因素。

控制好负压，就能使燃烧带的位置和长度保持正常，从而稳定产量和煅烧质量。

窑头负压一般为20～60pa。

2.2.6.3回转窑的工作

回转窑的工艺原理主要包括：

装料容量、物料在窑内移动速度、窑内的最高温度及负压。

回转窑生产时，原料从贮料仓经过给料机连续向大窑窑尾加料，由于窑体略显倾斜，所以随着筒体的缓慢转动，原料就专拣向窑头移动。

从窑头碰嘴喷入煤气或重油，与窑头控制的空气混合燃烧，形成一个长达5-10m的高温煅烧带，煅烧带温度达到1200-1350℃。

原料在窑内的停留时间只有50-60min，窑内所产生的废弃则借助排烟机和烟囱的抽力派出大气。

回转窑的燃料为煤气或重油，还有煅烧物料所排出的挥发分。

当煅烧挥发分低的炭素原料（如沥青胶或无烟煤）时，燃烧喷嘴连续工作。

挡煅烧挥发分大于5%的