内部培训资料
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内部培训资料(工艺技术方面)
版本:初级版
状态:受控
编辑:技术中心
审核:董金奎
赵有兵
批准:李春平
刘太保
兴和县木子炭素有限责任公司自2011年7月26日起试行
编辑说明
本资料主要以入门培训为主,属专业知识的普及性资料,目的是使大家在短时间内迅速掌握碳石墨行业的特点及我公司产品的相关知识,便于迅速进入角色,展开工作。
故相关专业知识的表述不一定严谨和科学,只求能够迅速理解和掌握,故此有些概念的表述采用了形象化和本地化的语言。
此资料适用于营销人员、非生产管理人员、生产系统及其他管理岗位新进厂人员。
在此资料编辑的整个过程中,得到了各位领导和同事的大力支持和热情关注,在此一并表示感谢。
因时间仓促和水平所限,资料的不足之处敬请不吝批评指正,我们会在下次修订过程中予以完善。
本资料只供内部使用,因渉及企业技术及商业秘密,故不得将其原件或复印件转给他厂人员使用。
编者:王建新
2011.6.15
目录
一、碳石墨行业的历史、现状及发展前景
1.碳石墨行业的历史和现状
2.碳石墨行业的发展前景
二、碳石墨材料的结构、性能、理化指标、分类及用途1.碳石墨材料的微观结构
2.碳石墨材料的性能
3.碳石墨材料的理化指标
4.碳石墨材料的分类及用途
三、碳石墨产品制造的一般工艺过程
四、我公司生产产品的历史、种类、性能、理化指标的概述
五、炭素材料在国民经济各部门的应用情况概略
六、附录
第一章、碳石墨行业的历史、现状及发展前景1.碳石墨行业的历史和现状
自古以来,炭素材料就与人类的生活息息相关。
根据宇宙大爆炸学说,在约150亿年前,由巨大的能量块生成了基本粒子,基本粒子又生成了氢和氦,三个氦原子结合就生成了碳。
人类大量使用火是在约2万年前,用于取暖的木材或植物燃烧后的残余物、烹调食物时的动植物焦化物等都是人类随处可见的炭。
而在公元前16世纪的巴比伦、公元前10世纪的殷墟的甲骨文中,煤炱已用作墨水使用。
木炭、煤炭、煤炱、石墨等在我们的生活中被用作燃料、颜料和冶炼金属的还原剂等,在18世纪的工业革命以前,炭的利用都没有太大的变化。
18世纪的工业革命、19世纪近代科学的逐步形成,特别是1896年美国人艾契逊发明了艾契逊石墨化炉,炭素制品从炭质到石墨质取得了跨越式的进步,使其广泛应用成为可能。
而利用其电气特性、耐腐蚀性、耐热性、润滑性和导热性的制品有炼钢电极、电解板、发热体、坩埚、电刷、无轨电车滑板、触头、放电管用栅极、轴套和密封圈等。
在20世纪美国、德国、日本、法国、俄罗斯等发达国家,将碳石墨制品作为一种新型材料进行了大量的科学研究和生产实践技术攻关,使碳石墨制品的种类不断扩大,性能不断提高、应用领域不断拓展,现在碳石墨制品的应用领域已涵盖了国民经济的各个部门。
我国在解放前没有碳石墨制品工业,在前苏联援助中国时,于1956年成立了吉林碳素厂(吉炭),1958年成立了哈尔滨电碳厂(哈炭),因涉及军工,吉林碳素厂按编号201称呼。
后来,随着国民经济的发展,国家按全国的整体布局,又在东南的上海市、西部的兰州市、西南部的自贡市分别建立了上海碳素厂(上炭)、兰州碳素厂(兰炭)和自贡东新电碳厂。
20世纪八十年代,随着改革开放的深入,炭素升温,各地又新建了近二三十家中型碳素厂以适应经济快速发展的需要。
九十年代,随着企业转制步伐的加快和民营企业的发展,原国有、集体碳素企业的管理和技术人员大量流动,碳素民营企业如雨后春笋般地发展起来。
近几年,顺应经济全球化,许多老碳素企业加大了科技投入、加快了技术改造的步伐,新上马项目大多选择了高技术含量、高附加值的碳素新材料,如各向同性等静压石墨、锂电池正负极材料、炭纤维、炭炭复合材料等。
目前我国碳石墨制品在总量上已位列世界第一,在产品质量上也有大幅度的提高,但与美国、德国、日本、法国等发达国家相比仍有较大差距。
无论是炭石墨材料基础理论研究还是生产实际工艺技术水平都有20-30年的差距。
我国现有炭石墨生产制造型企业200家左右,加上利用炭石墨坯料进行加工的企业总计约有近千家。
全行业总体来说,规模小、产业链短、技术水平不高、技术装备落后、科研开发投入不足、产品质量不稳定、能耗高、污染大、产业集中度低。
在产业集中度方面,各发达国家,如美、日、德、法、俄罗斯等,每个国家的炭
素企业都基本不超过十家。
2010年,仅德国西格里公司一家的年营业额就达110多亿元人民币,相当于我国现有炭石墨生产制造型企业近200家的年总营业额。
所以今后我国炭石墨行业间企业兼并重组整合是必由之路,只有将企业规模做大,才能解决我国炭石墨行业现在存在的诸多问题,才能与发达国家的同行竞争。
中国炭素行业协会会员名单(此表根据会员单位规模和交会费情况综合排序)
1。
中钢集团吉林炭素股份有限公司(原吉炭)
2。
方大炭素新材料科技股份有限公司(原兰炭)
3。
南通扬子碳素有限公司(江苏省)
4。
中钢集团四川炭素有限公司
5。
山东八三炭素厂(现仍为国有企业)
6。
河南三力炭素制品有限公司
7。
大同能源发展有限公司炭素分公司(大同晋能)
8。
四川广汉士达炭素股份有限公司
9。
新郑市豫电炭石墨制品有限公司
10。
平煤集团开封炭素有限责任公司(全套引进国外先进生产线)
11。
抚顺炭素有限责任公司
12。
辽阳炭素有限公司
13。
合肥炭素有限责任公司
14。
河北顺天电极有限公司(全球最大的碳电极生产企业,原河北涞水长城长电极厂)
15。
湖南银光炭素有限公司
16。
成都蓉光炭素股份有限公司
17。
吉林市松江炭素有限责任公司
18。
茂名碳素总厂(广东省)
19。
大同市威力炭素有限责任公司
20。
介休市巨源炭素有限公司
21。
山西晋阳碳素股份有限公司
22。
天津龙汇碳石墨制品有限公司(原天津市碳素厂,与我公司有业务关系)23。
中钢炉料有限公司
24。
石家庄炭素有限责任公司(现已转制,大部分技术人员外流)
25。
大同市新城特炭有限公司(全国第二大中粗结构大方料、圆饼生产企业)26。
林州市红旗渠电炭有限公司
27。
山西华泰炭素有限责任公司
28。
河南(鲁山)方原炭素集团
29。
焦作市中州炭素有限责任公司(与我企业在河南省以南地区有竞争)
30。
山西晋能集团有限公司
31。
黑龙江鑫源炭素有限责任公司
32。
天津市静海县利源碳素制品有限公司
33。
新乡超力碳素有限公司
34。
冀州市长安电极有限公司
35。
泰兴市晨光高新技术开发有限公司(数控车床生产企业)
36。
林州市电力炭素有限公司
37。
焦作市东星炭电极有限公司
38。
四川槽渔滩水电股份有限公司炭素厂
39。
丹东鑫兴炭素有限公司
40。
四川都江堰西马炭素有限公司
41。
长治县山河巨能炭素有限公司
42。
石家庄市华南炭素厂(直径200-400mm电极,大部分出口)
43。
朔州市三元碳素有限公司
44。
北京奂慧炭化技术有限公司
45。
广西强强碳素股份有限公司
46。
辽宁福鞍(集团)石墨电极有限公司
47。
山东省临沂县鲁北炭素有限公司
48。
山西宏特煤化工有限公司(针状焦生产企业)
49。
林州市宏鑫炭素有限公司
50。
青铜峡市青鑫炭素有限公司
51。
内蒙兴和兴永炭素有限公司
52。
济南澳海炭素有限公司
53。
洛阳万基石墨制品有限公司
54。
邯郸市华源炭素有限公司(以振动成型大规格石墨电极为主,最大直径1200)55。
芜湖江城炭素有限公司
56。
唐山金湾特炭石墨有限公司(兴和县青山特碳的控股公司,老板藏文平)57。
山西省阳城县东方炭素有限责任公司
58。
山西中凯集团灵石能源开发有限公司
59。
甘肃新永达国际冶金有限公司
60。
锦州巨路石化有限公司
61。
抚顺市碳素有限公司
62。
旭日精密炭素(大连)有限公司(加工出口型企业)
63。
索通发展有限公司
64。
山东前昊炭素有限公司
65。
吉林恒升化工有限公司
66。
兴和县木子炭素有限责任公司
67。
中钢集团吉林机电设备有限公司(炭石墨行业用设备生产企业)
68。
山东平阴丰源炭素有限责任公司
69。
东明县金利达碳素制品有限公司
70。
山西经华炭素有限公司
71。
平顶山三基炭素有限责任公司
72。
鹤岗市巨源碳素有限责任公司
73。
贵阳铝镁设计研究院(炭石墨行业设计企业)
74。
沈阳铝镁设计研究院(炭石墨行业设计企业)
75。
内蒙古集宁华瑞炭素有限责任公司(董事长:万水田)
76。
青海长春炭素有限公司
77。
宁夏永威炭业有限责任公司(生产碳电极为主)
78。
广汉市正蓉炭素制品有限公司
79。
河南省巩义市炭素厂
80。
成都市天府石墨坩埚有限公司(以石墨坩埚的生产为主)
81。
青岛西特碳素有限公司
82。
山西亚鑫煤焦化有限公司
83。
南通捏和机厂(专业提供混捏机的企业)
84。
北京北方鑫源电碳制品有限责任公司(异型石墨加工)
85。
三门峡龙新炭素有限公司
86。
巩义市鑫炜炭素制品有限公司
87。
郑州惠美石墨有限公司
88。
邯郸市中轩碳素有限公司
89。
晋中市宏兴碳素有限公司
90。
山东同济炭素有限公司
91。
新乡超力碳素有限公司
92。
江西新钢炭素有限责任公司
93。
芜湖县炭素有限公司
94。
冶金工业规划研究院(炭石墨行业设计企业)
95。
湖南大学(中国唯一一家设有炭素系的大学)
96。
山西省天镇县云洋碳素有限公司(天镇炭素)
97。
运城市关铝阴极制品有限公司
98。
鲁山县炭素(耐火)协会(耐火材料)
99。
上海碳素有限公司(现基本已解体,技术人员大量流失)
说明:所谓“碳素”即碳元素,所谓“碳素企业”即以含碳元素为主的材料作为原材料生产产品的企业。
由于历史和习惯等原因,有的企业叫“碳素企业”,有的企业叫“炭素企业”。
其实,按一般较为规范的说法,“碳”一般指碳元素、含碳元素为主的原材料或矿山开采型企业。
“炭”一般指以含碳元素为主的原材料生产而成的各种制品和产成品。
但在整个学术界和碳石墨行业并没有严格的界限,故在“碳”或“炭”的使用上没必要深究。
2。
碳石墨行业的发展前景:
人类自远古以来,每天都在使用碳材料,20世纪前木炭、炭黑、焦炭、天然石墨、人造石墨等碳材料已被广泛使用,推动了陶瓷、冶金和印刷业的发展。
它是古代灿烂文明和第一次产业革命蒸汽机诞生的主要支撑材料。
20世纪,随着国防工业和航空航天工业的发展,特别是50年代美国和苏联两大国对太空开发进行了激烈竞争,促使了新型碳材料惊人的大发展,相继出现了碳(石墨)纤维及其复合材料、活性碳纤维、炭分子筛及炭微球等;高比强、高比模碳(石墨)纤维已成为开发耐烧蚀、结构和多功能复合材料理想的增强体,成功地应用于宇航、航空、潜艇、原子能及其他民用工业,为人类探索太空架起了桥梁,使人们遨游太空的梦想变为现实,还促进了传统工业用材料的更新换代,大大提高了现有产品的质量,节省能源,降低成本,减少污染,提高了人们的生活品质。
不言而喻,它也是第二次产业革命关键性支撑材料之一。
特别值得注意的是,20世纪末,C60、纳米碳管和炭合金的诞生,反映了碳科学的巨大进展。
预计,纳米科技将给人类带来数不尽的新技术、新工艺、新产品,不断改变人们的生产和生活方式,将成为人类历史进程中的里程碑。
碳纳米管的理论抗拉强度为钢的100倍,而密度仅为钢的1/6。
根据结构的不同碳纳米管的可以呈现金属和半导体特性,可作为量子开关,使现在的计算机体积缩小为原来的1/100。
碳纳米管的理论比表面积可达
8000m²/g,可作为双电层超级电容器的极板材料,达到很高的比功率。
初步实验结果表明,碳纳米管的具有极强的储氢能力,可能是未来燃料电池氢气储运材料的最佳选择。
由此可见,炭素材料在导电性、导热性方面与金属材料有相似之处,在耐热性、耐腐蚀性方面与陶瓷材料有共同性,而在质量轻、具有还原性和分子结构多样性方面又与有机高分子材料有相同之处。
由此说明,炭素材料兼有金属、陶瓷和有机高分子三种固体材料的特性。
而它又有别的材料无法取代的性质,如比弹性率、比强度高、减震率大、生物相容性好和具有自润滑性及中子减速能力等特点。
此外,由于呈多晶体碳的生成过程和微晶的成长程度以及它们的集合状态的多样性,使炭素材料的性质易于变化,以适应各种不同的用途。
当前,炭素材料已广泛应用于冶金、化工、电子、电器、机械等工业以及核能和航空航天工业,乃至作为人体生理补缀材料。
炭素材料已经成为近代工业中不可缺少的结构材料和功能材料。
有关专家称19世纪是钢材料的世纪,20世纪是硅材料的世纪,21世纪是炭材料的世纪。
综上所述,碳石墨行业具有无限美好的发展前景。
二、碳石墨材料的结构、性能、理化指标、分类及用途1.碳石墨材料的微观组织结构
碳元素在门捷列夫的元素周期表中列第六位,碳在自然界分布很广,是地球上化合物最多的元素。
在水和空气中碳主要以碳酸、碳酸盐和二氧化碳的形式存在;矿物界有各种碳酸盐、煤、天然石墨和金刚石等,还有石油和天然气等碳氢化合物;动植物体中的脂肪、蛋白质、淀粉和纤维素也是碳的化合物。
碳是组成一切动植物的基本元素。
碳在自然界中的丰度为0.08%,占地壳中各元素含量的第13位。
目前发现的单质的碳有金刚石、石墨、咔宾和无定型碳。
金刚石是自然界已知材料中最硬的材料,石墨是已知材料中最软的材料,但它们都是由碳组成的,只不过是碳的微观结构不同而已。
石墨为层状结构,同层间为六角网状排列,以金属键连接,故石墨具有良好的导电导热性能;层与层之间连接较弱,易滑移和剥离,故石墨具有抗摩性能和自润滑性。
2.碳石墨材料的性能
(1)、导电性:
在非金属材料中,石墨材料是电的良导体,但其导电性只有铜的1/500—1/1000,铁的1/100左右。
炭质材料是石墨质材料导电性的1/5—1/10。
(2)、导热性:
石墨材料的导热性良好,是钢的3—4倍(常温),是铜的1/2—1/3,在常温附近最大,随温度的上升而下降,在2000℃时
只有常温值的1/4。
炭质材料的导热性是石墨质材料的1/10—1/20,耐火砖的5-10倍,随温度的上升而稍有增加。
(3)、耐热性:
在常压下不熔融,在3500℃以上升化,在高温下不易软化变形。
耐热冲击性极好。
不存在晶体相变。
在高温(2500℃以上)下荷重时,有微小的塑性变形。
(4)、耐腐蚀性:
极好,在常温下耐酸碱腐蚀,熔融金属难以润湿。
(5)、高温强度高:
在常温下的强度是钢材的1/20-1/30,抗冲击强度弱,抗压缩强度高。
在2500℃之前随温度的上升而增大(2500℃时是常温值的2倍)且不软化。
(6)、润滑性:
石墨质材料润滑性良好,炭质材料润滑性中等,炭、石墨材料在极低的温度和真空下有时发生异常磨损。
(7)、热膨胀:
热膨胀小,只有钢材的1/6左右,石英的2-8倍,耐火砖的2/3左右,热膨胀系数随温度的上升而按比例增大。
(8)、硬度:
石墨质材料柔软,莫氏硬度2-3,肖氏硬度20-70;炭质材料坚硬,莫氏硬度7-8,肖氏硬度60-100。
炭石墨材料的硬度可以通过制造条件进行调整。
(9)、密度:
轻量,体积密度通常在1.4-1.8 g/cm³的范围内,最低0.8 g/cm³,最高1.95 g/cm³,是钢的1/4-1/5,耐火砖的2/3-3/4。
(10)、加工性:
石墨材料的机械加工较易,可以进行精密加工(可以加工成各种形状),炭材料机械加工较难,精密加工很困难。
(11)、纯度:
石墨材料灰份通常为0.01-0.3%,容易精制达到高纯度(灰份10ppm以下)。
炭质材料灰份通常为0.5-1.0%。
纯度的单位为%和ppm,ppm即百万分之一,%与ppm的换算关系如下:%×10000=ppm ppm÷10000=%
(12)、透气性:
炭石墨材料系多孔材料,通常有20-35%的气孔率,对流体具有透气性,改变制造条件可以得到孔径较均匀的产品(气孔率最大达50%),通过各种浸渍处理降低其气孔率,甚至使之在实用上成为不透性材料。
(13)、弹性模量:
弹性模量低,只有钢材的1/20-1/30,玻璃的1/5-1/10。
弹性模量低,加上高导热性、低热膨胀性一起成为具有卓越耐热冲击性的原因。
(14)、核物理性质:
石墨材料对中子的散射截面大,吸收截面小,能长期经受快
中子和其他高能粒子的轰击而变化很小,化学稳定性好,不与裂变区内的物质发生化学反应,而且生产成本较低,故可作为核反应堆的减速材料。
(15)、生物相容性:
碳素材料的生物相容性很好,完全可以作为人体的补缀材料使用。
3.碳石墨材料的理化指标
(1)结构方面:包括体积密度、真密度、气孔率等。
A.体积密度
体积密度是表征材料宏观组织结构的一个物理量,体积密度越高,材料的宏观组织结构越致密,体积密度越低,材料的宏观组织结构越松散。
计算公式:体积密度=质量/体积
体积密度的单位为:克/厘米³(g/cm³)
质量的单位为:克(g)
体积的单位为:厘米³(cm³)
单位换算:
1吨=1000千克(公斤),1千克(公斤)=1000克(g),
1克(g)=1000毫克(mg),
1毫克(mg)=1000微克(µg)
1千米(公里)=1000米(m)
1米(m)=10分米(dm)=100厘米(cm)=1000毫米(mm),
1毫米(mm)=10丝米(dmm)=100忽米(cmm)=1000微米(µm)
1微米(µm)=1000纳米(nm)
1纳米(nm)=一亿分之一米(m),如果把纳米看作乒乓球的话,那么米的大小就约是地球般大小。
我们可以根据国内外不同用户给出的不同单位换算成克/厘米³(g/cm³)后进行计算,比对行业标准和企业内部理化指标,做到心中有数,以便于与用户沟通。
圆柱体产品按下式计算:
体积密度=质量÷直径÷直径÷0.785÷长度
长方体产品按下式计算:
体积密度=质量÷长度÷宽度÷高度(厚度)
电极(带扣)产品大致按下式计算:
体积密度=(电极本体重量+一个同规格配套接头重量)÷直径÷直径÷0.785÷长度
各种异型产品的体积密度如果体积可以计算出来的话,就精确计算体积后进行计算,如果不能精确计算体积时,就按排水法近似地测出体积后进行计算。
因为体积密度直接反应了材料宏观组织结构的致密程度,间接反应了材料的强度等,是一个重要的物理量,故在用户的要求中占有相当重要的地位。
但因为碳石墨材料在整个制造过程中,由于原材料、配方、
成型方法、热处理温度、是否浸渍处理、工艺装备、人员素质、管理水平等的不同,体积密度的差异性很大,会在很大的范围内波动。
国外产品体积密度的波动范围较小;国内产品波动范围较大,不同批次、同一批次的不同个体、同一产品的不同部位均有较大范围的波动。
一般人造石墨的体积密度在1.50-1.85g/cm³的范围内波动,经特殊处理的产品可达1.90-2.20 g/cm³。
B.真密度
是表征材料微观组织结构的一个物理量,真密度越高,材料的微观组织结构越完善,真密度越低,材料的微观组织结构越不完善。
真密度的单位与体积密度相同
真密度通过实验方法测得,生产中用溶剂置换法测定,科学技术上用X射线衍射法来测定。
真密度直接反应了材料微观组织结构的完善程度,间接反应了材料的热处理温度,对材料的导电、导热性能、抗氧化性能、耐高温性能、耐酸碱腐蚀性能等都有重要影响。
理想石墨的真密度为2.265 g/cm³,各种人造石墨材料的真密度通常为 2.16-2.23g/cm³,高密度的核石墨、热解石墨为
2.24-2.25 g/cm³。
C、气孔率:
碳素材料的气孔分为开口气孔、闭口气孔、贯通气孔。
故气孔率也分为全气孔率和显气孔率,显气孔率不含闭口气孔。
碳素材料的全气孔率计算公式如下:
全气孔率=(真密度—体积密度)/真密度Χ100%
几种碳素材料的全气孔率如下:
炭电极:17—25%,石墨电极:22—30%,炭块:15—0%,
过滤材料:30-60%,浸渍结构材料:0-3%,电炭材料:10-20% 碳素材料的气孔率反应了材料的气孔占总体积的比重,气孔率的大小决定了材料的适用范围,对结构性材料来说气孔率大是有害的,对某些功能性材料(如过滤材料)来说气孔率大是有益的。
气孔率的大小反应了材料是否会被气体、液体、熔液通过的能力大小。
一般来说气孔率大则材料的强度低、导电导热性差、抗氧化性、耐腐蚀性、防渗漏性差。
反之则相反。
(2)机械力学方面:包括机械强度、弹性模量、蠕变、摩擦性能等。
A、碳素材料的机械强度有抗压强度、抗折强度、抗拉强度等,机械强度即材料抵抗外力破坏的极限抵抗能力,抗压强度就是材料在受到压力作用时被压碎的一瞬间,压力表上读出来的压力值,即为此材料的抗压强度。
抗折强度、抗拉强度与抗压强度的道理是一样的,抗折强度是材料在受到折断力、抗拉强度是材料受到拉力时所反映出来的极限抵抗力。
碳素材料的机械强度是通过实验方法测得的,其单位为Mpa (兆帕)。
帕即帕斯卡;兆即106,即1000000(一百万)。
1Mpa约等于10kg/cm²在我们行业里直接按1Mpa=10kg/cm²计算
碳素材料的机械强度中的抗拉强度约为抗折强度的一半;抗折强度又约为抗压强度的一半,人造石墨材料的抗压强度为抗折强度的1.6—2.9倍,而抗拉强度约为抗折强度的0.47—0.60。
碳素材料的比强度在常温下属于中等,在2500℃以内,它的比强度随着温度的升高而增大。
所以碳素材料作为高温材料有其独特的优越性。
B、碳素材料的弹性模量:
弹性模量是在弹性变形的范围内,材料所受应力与应变的比值即为弹性模量,通常采用杨氏模量。
弹性模量为表征材料刚性的一个物理量,对碳素材料而言,弹性模量高为脆性材料,弹性模量低为韧性材料。
一般碳素材料的弹性模量比较低,石墨晶体、石墨晶须、热解石墨、和高模量碳纤维的弹性模量比较高。
一般碳素材料在室温下基本上属于脆性材料,容易发生断裂。
弹性模量的单位为Gpa。
1Gpa=1000Mpa。
C、蠕变:
碳素材料在一定压力作用下,会发生不可逆的塑性变形,这就是蠕变,在2000℃以上可以看到明显的蠕变,炭材料比石墨材料的蠕变更大,而且在更低的温度下就发生。
碳素材料的蠕变也具有方向性,一般平行于晶粒方向上的蠕变小于垂直方向。
D、石墨材料的摩擦性能:
石墨材料的优点在于既耐磨,又具有润滑性,这是由于石墨。