焙烧对石墨电极质量的影响

焙烧对石墨电极质量的影响

1 焙烧的概念及工艺内容

1.1 焙烧的概念

焙烧是指压型生制品（生坯）在隔绝空气的填充料包围中，通过不断地接受外部的热量，使制品中的黏结剂沥青变成沥青焦，并同时与炭素骨料颗粒结合成为牢固的一体的热处理过程。

1.2 焙烧过程的几个重要步骤

1）装炉前准备：检查炉子状况，在规定的时间周期内，要对其进行预防性的维护，满足装炉要求。

2）填充料准备：加工合格的填充料，通过机械将其填满生制品周围的空隙，避免在加热循环过程中，当生制品内的沥青变成液体时，制品发生变形。

3）装炉：通过机械将生制品装入焙烧炉炉箱内的指定位置。

4）加热：通过燃料的燃烧将其产生的热量间接传递给制品本身，使其连续不断地受热。

5）冷却：按要求逐步减小燃料的供给，以减少对炉内热量的供应；当焙烧过程结束后，通过强制风冷逐渐将炉内的温度降到400 ℃，然后再自然冷却至环境温度。

6）出炉：采用机械将炉箱内产品周围的填充料清除和移走，然后将产品从炉箱内移出至清理场地，进行产品表面粘附填充料的清理。

7）检查：用肉眼检查产品表面，并通过锤击回声法判断内部结构缺陷。

2 焙烧炉炉型的比较

为适应对不同尺寸及品种的产品进行焙烧，设计了不同类型的炉子及控制系统，在提高生产率、降低燃料消耗、控制排放物及提高质量的基础上，开发出了各种各样的焙烧炉。发展到目前，焙烧炉的主要炉体型式有：带盖式环式焙烧炉、敞开式环式焙烧炉、车底式焙烧炉、隧道窑等。

当前，在传统炉型的基础上，敞开式环式焙烧炉又得到了新的改进，即在每个炉箱上增加了一个轻质的保温盖，并对燃烧喷嘴结构进行了改进，这不仅有效解决了废气的无组织排放问题，还实现了燃烧系统的低氮燃烧效果。以上4种类型是现在主流的焙烧炉炉型，它们的优缺点如表1所示。

3 焙烧升温全过程的机理分析

对一次焙烧而言，不论外燃式环式焙烧炉（敞开式环式焙烧炉），还是内燃式环式焙烧炉（带盖式环式焙烧炉）以及车底式

焙烧炉，都是将燃料燃烧后产生的热量传导给耐火砖或容器焙烧的钢桶，然后再由耐火砖或钢桶传递给填充料，最后由填充料将热量传递给生制品，当生制品自身感受的温度超过黏结剂沥青的软化点时，生坯由玻璃态先软化而后变成熔融状态，恰好在周围填充料的挤压下，使其保持原有的几何形状。

一方面，随着温度的逐步升高，黏结剂沥青首先发生物理性的横向浸润和纵向重力迁移，如果选用的黏结剂为中温沥青，其发生的物理性迁移较选用高软化点的改质沥青黏结剂要更大一些。因此，选用高温改质沥青代替中温沥青做黏结剂，是提高产品质量的有效措施。温度的继续升高，黏结剂沥青开始发生分解和聚合反应，轻质挥发物的排出量逐渐增加，重质残留物同时也在不断地发生聚合反应，生制品的总体积在径向和纵向上发生膨胀，同时也发生收缩。实践证明，生制品纵向膨胀量略大于径向膨胀量，所以焙烧品上端的机械强度要低于下端的机械强度，这与沥青迁移有着直接关系，而选择高温改质沥青黏结剂可以改善这种状况。

另一方面，填充料的弹性、透气性、吸附性在焙烧过程中也起着非常重要的作用。适当地降低填充料的吸附性和透气性，或者在保温料上方加耐火砖，有利于提高黏结剂沥青的结焦值。如果填充料的种类确定，则取决于填充料的粒度组成。如果填充料过细，大规格生制品挥发物排出受阻太大，将会导致制品产生裂纹。因此，填充料的吸附性和透气性要控制在一个适宜的范

围之内，在制品的径向膨胀力与生制品表面的机械强度达到动平衡状态下，实现最大程度地提高结焦值。当然，这种动态平衡与升温速率密切相关，为了有效地提高焙烧产品的机械强度和密度，必须确保填充料的粒度组成与制品规格、升温速率实现合理的匹配。

焙烧工艺的选择和控制非常重要，因为它直接决定着最终产品的结构、性能以及产品生产周期的长短。在焙烧过程中，伴随着化学反应与质量、热量和动量的转移，三相系统经历了一系列连续的不等温相变，使得系统的研究变得非常复杂。为了进一步厘清焙烧的机理，现将焙烧分成以下几个阶段，各阶段有明显不同的现象发生。

1）预热阶段：自环境温度（25 ℃）升温到 350℃。黏结剂自身发生物理性的变化，即：融化、迁移、浸润、沥青轻组分的蒸发，其外在表现为玻璃态变成了液态，使生坯发生膨胀。当温度升到 200 ℃以上时，黏结剂沥青的黏度将降至某一最低点，此时黏度作用下所构筑结合力无法支撑住黏结剂的内部压强，造成少量轻组分的外逸，形成网络状开孔。

2）挥发分大量排出阶段：350~450 ℃。黏结剂自身发生化学变化，发生分解和聚合反应，沥青中的轻组分慢慢逸出，并形成气泡，之后产生的大量挥发气体都是聚集在之前形成的气泡核周围，并围绕着它形成微泡群。如果升温速度过快，形成的微泡群在气泡内外压力和表面张力的共同作用下逐渐长大，而成

为大气泡。

若形成气泡核的温度较高，此时气体在沥青熔体中的溶解度下降，到达溶解饱和的时间将缩短，沥青裂解加速，产生的气体量增加。但是，温度继续升高，将导致沥青熔体黏度减小，气泡核长大阻力将减小。这个阶段制品总的外在变化表现为外表面有大量的气泡逸出。

所以，该阶段升温速率的控制非常关键，升温速率的选择要避免沥青轻组分的过分挥发。合理控制转化过程的温度、升温速率，减缓反应速率，使聚合脱氢减缓，实现制品的缓慢固化，有利于得到结构均匀的焦炭（架桥焦）。

3）黏结剂形成半焦阶段：450~550 ℃。制品中的黏结剂自身发生分解和聚合反应。该阶段在分解反应的同时，不断发生缩聚反应，随着反应的加剧，熔体的黏度逐渐上升，轻质挥发物上升阻力加大，使挥发量逐渐减小，同时重质缩合物不断增加。

此外，随着缩聚反应的不断加剧，黏结剂中的重质成分不断聚合成沥青焦，并与制品中的骨料结合成为一体，形成初步半焦，称之为“架桥焦”，因为它的形成把炭素骨料结合成牢固的一体。在这个阶段，如果升温速率过快，将使缩聚反应过于剧烈，造成产品内部结构出现空隙缺陷，难以得到结构均匀的焦炭（架桥焦）。

4）高温烧结阶段（半焦成为全焦阶段）：550~850℃。随着温度的进一步升高，半焦继续焦化，随之结构进一步发生变化，