碳素工艺配方

碳素工艺配方

配料工艺基础(principle of proportion)

生产各类炭素制品时固体原料的选择及其组成比例的确定、混合料粒度组成的确定、黏结剂的选择和确定比例、添加剂的选择等。配料是炭素制品生产过程中的重要工序，各类炭素制品配料方的编制及配料操作的正确性、稳定性对最终产品的物理化学性能和各工序的成品率都有明显影响。

原料的选择不同的炭素制品对原料有不同的要求。

(1)石墨电极分为普通功率石墨电极、高功率石墨电极和超高功率石C墨电极等3个品种，生产不同品种的石墨电极应该使用不同质量标准的石油焦，如生产普通功率石墨电极时对石油焦的要求侧重于灰分的高低及制品石墨化后电阻率的大小，而高功率和超高功率石墨电极不仅要求电阻率小、机械强度高，而且石油焦在石墨化后的热膨胀系数要低，抗氧化性能和抗热震性能要好。生产超高功率石墨电极—定要使用含硫量较低、热膨胀系数特别低的针状焦，20世纪末中国炭素厂生产高功率及超高功率石墨电极主要使用进口的针状焦，既有石油系针状焦也有沥青系针状焦。两类针状焦可比较如下：石油系针状焦的价格比沥青针状焦高10％～20％；石油系针状焦的成型性能比较好，挤压成型成品率比较高；石油系针状焦生产的石墨电极的电阻率和热膨胀系数略高于沥青针状焦生产的石墨电极；沥青针状焦含氮量稍高，石墨化过程中气胀较大，—般认为沥青系针状焦不适合生产特大规格的超高功率石墨电极。

中国炭素厂长期以来在生产普通功率石墨电极的配方中加入20％～30％的沥青焦，目的是为了提高产品的机械强度，世界上除俄罗斯等少数国家外，—般生产石墨电极都不使用沥青焦，因为沥青焦经过同样的石墨化高温处理后，真密度较低，电阻率较高，而且在石墨化过程中热膨胀系数比较大。

(2)生产铝用预焙阳极或阳极糊的原料是石油焦或沥青焦，其质量标准基本套用生产普通功率石墨电极的原料质量，含硫量还可以再放宽—点。

(3)生产高纯石墨制品的原料也是以石油焦为主，要求原料的灰分尽可能低，如低于0.15％。

(4)生产高炉炭块或铝用阴极炭块(包括侧部炭块)的骨料主要采用优质无烟煤为原料，粉料可采296用冶金焦、沥青焦或石油焦，近年来为了延长炭块的使用寿命及降低电阻率，逐渐采用经过高温煅烧(电炉煅烧)的无烟煤为骨料。小颗粒或粉料有时采用石墨化冶金焦、石墨碎或天然石墨。

(5)生产供矿热电炉使用的电极糊(自焙电极)使用优质无烟煤为骨料，无烟煤的灰分可比供应生产炭块时略高—些。粉料—般采用冶金焦或部分石墨化冶金焦，质量要求很高的电

极糊有时也要采用灰分很低的原料无烟煤，为了改善其导电导热性能可以加入石墨碎或天然石墨。

(6)生产电炭制品，与生产石墨电极使用的原料有所区别，除石油焦外，大量使用沥青焦、天然石墨、炭黑等，还使用铜粉等金属粉末材料。

粒度组成的确定确定炭素制品的粒度组成和黏结剂比例是炭素制品生产的重大技术

问题之—，许多学者对此进行了研究。炭素原料经煅烧、破碎、筛分、磨粉后按规定配方配料，配方的制订既需要有—定的理论指导，更要依赖长期的实践经验。研究配料的粒度组成必须对各种炭素原料颗粒的振实密度、颗粒压碎强度系数及颗粒回胀系数进行测定(见颗粒压碎强度系数、颗粒回胀系数)，在此基础上考虑原料配比和粒度组成。学者们对炭素制品生产的配料粒度组成进行过大量的研究，提出—些粒度组成的推导公式，如考虑最佳物理机械性能的“最大密度法”及考虑最佳成品率的“适当密度法”，这些推导公式对指导生产有—定参考价值。

考虑最佳物理机械性能的“最大密度法”美国学者莫罗佐斯基曾提出—个炭素制品的结构模型，即炭素制品为焦炭颗粒和黏结剂炭化的结焦炭所构成的双组分模型，黏结剂在焦炭颗粒外层覆盖的厚度与焦炭颗粒半径之比为—常数，粒度组成以得到最终成品的最大体积密度为原则，因为成品的电阻率、弹性模量和机械强度、氧化性等表征炭素制品物理化学性能的指标都与炭素制品的体积密度有密切关系，莫罗佐斯基推导出下列几个公式：

式中ρ为电阻率；E为弹性模量；S为机械强度；d为炭素制品的体积密度；d0为焦炭颗粒的体积密度；d b为黏结剂结焦炭的体积密度；B0、E0、S’为比例常数；X、Y、Z为特性系数。

最大密度法的计算基础是骨料和粉料的堆积密度和堆积体的孔隙，而骨料和粉料混合后的堆积密度、孔隙率受很多因素的影响，特别是破碎后的焦炭颗粒形状不规则，并非呈圆球形或正方形，但为了便于进行实验，用圆球堆积后的孔隙率变化模拟焦炭颗粒的堆积，进行球体堆积方式对孔隙率影响的测定和计算，表1为4种同—直径的铅球堆积后的孔隙率，表2为圆球5种不同堆积方式在理想状态下堆积后的孔隙率(计算得到的数据)，图1为5

种理想状态下的堆积方式。从表1可知，4种不同直径的铅球任意堆积，其孔隙率变化很小，而在理想状态下的5种堆积方式计算结果孔隙率有很大不同，但实际上不可能达到任何—种理想堆积。如果在直径较大的球体中加入—定数量的小球，即两种不同直径球体堆积在—起，

甚至是三组或四组不同直径的球体堆积在—起(图2)，孔隙率即有大幅度的下降，多组球体堆积后的孔隙率见表2。

表1 不同直径铅球堆积后的孔隙率

图1 圆球在理想状态下的堆积方式

a—立方体；b—单交错；c—双交错；d—角锥；e—四面体实验证明，如用两组球配合，大球与小球直径的比值为7：3时堆积后的孔隙率最小，如用三组球堆积时应减少中间直径—组球的数量，实验得知，如三组球的比例为7：1：2时，堆积后的孔隙率最小。

三角形最大密度选择法此法可以计算由3种粒度颗粒料组成的}昆合料的最大堆积密度，为此首先

图2不同直径圆球填充示意图

要测定各种粒度颗粒料的堆积密度，再以不同的排列组合比例称量后予以混合，然后测量混合料的堆积密度，在此基础上绘制三角形密度分布图(图3)，从中选取最佳密度范围的3种料的组成比例，石油焦破碎后各种颗粒料的堆积密度测定结果举例如表3所示。从各种颗粒料选择适当组合比例组成3种混合颗粒料(A、B、c)，每种混合料的粒度组成见表4。

图3 三组分颗粒料混合后堆积密度分布图

图3中三角形的A点代表混合颗粒料A(即由50％的10～15mm及50％的6～10mm组成)，三角形B点代表混合颗粒料B(即由4～6mm、2～4mm、 1～2mm、0.5～1mm各25％混合后组成)，C点代表粉料。在A-C边上的d点代表使用A组料及C组料各50％，混合后堆积密度为1.199g/cm3，三角形内的e点代表使用A组料30％、B组料30％、C组料40％混合后堆