焙烧

电极焙烧品的性能指标
焙烧过程中煤沥青黏结剂炭化机理
焙烧就是炭生坯中煤沥青炭化形成黏结焦 的过程。在此过程中由稠环芳烃分子混合物构 成的煤沥青将会发生分解、环化、芳构化、缩 聚直至成焦等一系列反应。煤沥青的热解缩聚 从300℃开始，前期以热分解反应为主，而后 期以热缩聚反应为主，随着缩合环数增多，稠 环芳烃的热稳定性增大，400℃进行中间相炭 化阶段，450～500℃半焦形成，至此炭材料的 基本结构雏形已形成，700～750℃形成黏结焦 ，750℃以后就是结构重排和“纯化”过程。 由于煤沥青组成结构的复杂性，从而导致其炭 化过程也相当复杂。
焙烧热处理过程
(3)煤沥青热缩聚和半焦形成阶段 当生坯实际受热温度升至400～500℃时 ，煤沥青分解挥发速度减缓，进入以缩聚反 应为主的阶段，煤沥青在高温下热解缩聚生 成半焦，此时挥发分排出量有所减少，生坯 体积由膨胀转为收缩。此阶段升温不能过快 ，因为还有少量挥发分继续排出，而且此时 焙烧品的机械强度和热导率都比较低，过快 地升温会导致焙烧品开裂。中温焦化阶段对 提高煤沥青结焦值和改善炭制品性能起着很 大的作用，尤其是煤沥青形成半焦以前应严 格控制升温速度，缓慢升温。
焙烧升温曲线
30室环式焙烧炉的320h焙烧升温曲线(温度 为炉盖下火焰温度)： (1)130～350℃：升温速率4.4℃/h,持续时间 50h；(2)350～400℃：升温速率1.7℃/h,持续 时间30h；(3)400～500℃：升温速率1.2℃/h, 持续时间80h；(4)500～700℃：升温速率 3.0℃/h,持续时间65h；(5)700～800℃：升温 速率5.0℃/h,持续时间20h；(6)800～1000℃ ：升温速率8.0℃/h,持续时间25h；(7)1000～ 1250℃：升温速率8.3℃/h,持续时间30h； (8)1250±25℃：保温，持续时间20h。
焙烧的目的
(1)排除挥发分。在焙烧热处理过程中，生坯中所含煤 沥青将发生热分解缩聚反应，不稳定的轻质组分将以 挥发分的形式排除。挥发分的排出量为10%左右，故焙 烧成品率一般在90%以下。 (2)黏结剂焦化。经过焙烧热处理，煤沥青黏结剂热解 缩聚生成结构致密的黏结焦(沥青焦)，将炭质骨料颗 粒牢固地结合为一体，赋予炭制品以使用性能。 (3)固定制品形状。成型后的生坯虽然具有一定的形状 ，但由于黏结剂保持原态，因此受热后生坯容易软化 变形。通过焙烧过程中黏结剂的焦化，黏结焦使骨料 颗粒固结在一起，制品形状得到固定，同时制品的体 积也获得一定的稳定性。
焙烧过程中煤沥青的物理迁移
焙烧时煤沥青的迁移分纵向迁移和横向迁 移。在正常升温条件下，纵向迁移可使焙烧品 上端与下端之间的体积密度相差0.01～ 0.03g/cm3，个别大规格产品可能会出空头现 象；横向迁移可使焙烧品径向内外体积密度相 差约0.01g/cm3。 焙烧炭坯内部发生的迁移现象不是糊料的整 体迁移，而是煤沥青的选择性迁移，其中煤沥 青中较轻质组分优先发生迁移。
制定焙烧曲线遵循“两头快，中间慢”原 则
焙烧各个阶段的加热速度决定着炭坯所发生的物理 化学变化过程，应保证炭坯中的反应进程按黏结剂煤 沥青的热解缩聚规律进行，即在煤沥青软化阶段不使 炭坯变形，在煤沥青热解缩聚生成黏结焦阶段不使炭 坯弯曲、变形和开裂，并且应得到最大的结焦残炭量 和整体烧结强度。 生坯温度在200℃以前，生坯没有明显的物理化学 变化，加热速度可以适当加快，否则，低黏度的煤沥 青发生物理迁移，就会产生空头变形废品。炭坯温度 达到700℃以后，煤沥青黏结剂的焦化过程基本结束， 升温速率可以加快。而焙烧的关键阶段，特别是炭坯 温度在200～500℃之间时，煤沥青剧烈分解，导致挥 发分大量逸出，升温速率应特别予以控制，缓慢升温 ，否则容易产生大量废品。
焙烧热处理过程
(1)煤沥青软化—生坯发生塑性变化的低温预热 阶段 当生坯实际受热温度达到100～230℃时，煤 沥青呈熔融状态，生坯开始软化，生坯体内的 应力松弛，导致生坯体积稍有膨胀，但煤沥青 挥发分排出不多，生坯处于塑性阶段。此阶段 主要对炭坯起预热作用。由于生坯体内的温度 差和压力差的作用，部分煤沥青轻质组分产生 迁移而扩散和流动，故此阶段升温速度要快。焙 Nhomakorabeabaking
焙烧是指成型后的炭制品生坯在焙烧加 热炉内的保护介质中，在隔绝空气的条件下 ，按一定的升温速率进行高温热处理，使生 坯中的煤沥青炭化的工艺过程。 生坯所含煤沥青黏结剂在焙烧时发生热 解缩聚反应而形成黏结焦(沥青焦)，其在炭 质骨料颗粒间形成黏结焦网格，把所有不同 粒度的骨料牢固地结合在一起，使炭制品具 有一定的强度和理化性能。焙烧制成的炭制 品具有较高的机械强度、较低的电阻率、较 好的热稳定性和化学稳定性。
焙烧热处理过程
(4)煤沥青高温焦化阶段 当生坯实际受热温度达到500～700℃ 时，煤沥青生成的半焦进一步转变成黏 结焦(沥青焦)，煤沥青分解排出的挥发 分进一步减少，炭坯继续收缩，由于煤 沥青黏结剂已转变成黏结焦，炭坯体的 导热率也有所提高，因此此阶段升温速 度可以适当加快。
焙烧热处理过程
(5)焙烧制品性能完善阶段 当生坯实际受热温度达到700～1000℃时， 煤沥青的焦化过程基本完成，炭坯真密度增加 的同时继续发生收缩。为了使焦化程度更加完 善及进一步提高焙烧品的性能指标，还需要将 炭坯加热到到900～1000℃。在高温炭化阶段 升温速度可以快一些，当温度升高到最高温度 后要保持15～30h，使炉内各个部位的温度都 接近指定的最高温度，以缩小炉室各部位之间 的温差，保证整炉制品质量的均匀。
焙烧曲线的制定依据
(1)焙烧曲线应该与煤沥青挥发分的排出速率和 煤沥青焦化的物理化学变化相适应，这是制定 焙烧曲线的理论根据。生坯在焙烧过程中最重 要的变化是煤沥青的热解缩聚和形态的变化， 从而引起一系列炭坯理化性能的变化。弄清煤 沥青在焙烧过程中的变化规律，对于合理地制 定焙烧温度曲线至关重要。一般来说，低温软 化阶段升温速率要快，中温挥发分大量排除阶 段升温速率要慢，高温阶段可加快升温速率， 这样有利于提高焙烧品质量和成品率。
焙烧过程中煤沥青的物理迁移
要控制重力下黏结剂煤沥青的迁移,可 采取如下措施：(1)控制黏结剂煤沥青用 量；(2)对于大颗粒配方，采用高软化点 改质沥青，可使迁移现象显著降低；(3) 尽量缩短焙烧升温曲线的低温阶段，使 生坯在煤沥青容易迁移的软化阶段停留 时间缩短。
焙烧升温曲线
带盖环式焙烧炉常用的焙烧升温曲线 一般为280h、300h、320h、360h和400h 。炭阳极的焙烧多采用敞开式环式焙烧 炉，其焙烧升温曲线为160～280h，炭阳 极的焙烧升温曲线要比石墨电极炭坯的 焙烧曲线短。
焙烧曲线的制定依据
(2)不需要石墨化的炭制品(如炭阳极和炭 块等)焙烧温度应高一些(1300℃左右)， 需要石墨化的制品焙烧温度可稍低些 (1200℃左右)，而炭电阻棒等电阻率要 求大的制品，则焙烧温度为1000℃即可 。大规格制品截面大，焙烧时内外温差 大，易产生裂纹废品，升温速率应放慢 ，因此焙烧曲线要长些，小规格制品焙 烧曲线则相反。
焙烧过程中煤沥青的物理迁移
当生坯的焙烧温度达到150～300℃时，煤沥青的黏度急剧下降 ，而此时煤沥青的热解缩聚反应尚未开始，煤沥青由玻璃态急剧 转变成液态，呈很好的液体流变状态，并且煤沥青体积增大。在 重力作用下，液态沥青沿着固体炭质物料的空隙向下流动，从而 产生物理迁移现象，此时炭坯呈软化态。 影响煤沥青迁移的因素有两个：一个是重力因素，在焙烧过程 中煤沥青由于重力作用沿炭坯体高度方向由上至下迁移；另一个 因素是温度梯度，它会引起煤沥青向低温方向迁移。炭坯体在焙 烧炉中的受热状态正是存在由上端的高温到下端的低温的温度梯 度，热流从炉室上部到下部，因此，在此温区内停留时间过长， 必然导致煤沥青迁移量增多，从而影响炭坯体上端的密实程度。
焙烧品与压型生坯性能指标对比
焙烧品与压型生坯性能指标对比
生坯内煤沥青在焙烧过程中焦化，排出约10%的挥 发分，同时生坯体积收缩，体积收缩达2%～3%，质量 损失达9%～13%，炭坯的理化性能相应发生变化。真密 度由生坯的1.86g/cm3左右提高到2.06g/cm3左右，电 阻率由生坯的10000μΩ·m左右降至50μΩ·m左右，炭 坯的导电性能大幅度提高而成为良导体。由于生坯内 煤沥青焦化时挥发分的逸出，因而留下了大量的气孔( 气孔率由生坯的3%左右增至20%以上)，导致焙烧品的 体积密度由生坯的1.70g/cm3左右降至1.60g/cm3左右 ，同时焙烧品的机械强度有所下降。
焙烧温度升高到250℃以后，煤沥青开始 热解逸出挥发分并发生热解缩聚反应，在此阶 段升温必须缓慢，同时缓慢升温，也有利于煤 沥青结焦值的提高。否则，升温过快，会造成 挥发分急剧排出，使炭坯产生裂纹，并导致炭 坯体积密度偏低。为了提高煤沥青的结焦值和 保证炭制品质量，在生坯实际受热温度为300 ～500℃温度区间内，焙烧升温速率应低于 2℃/h。
加压焙烧
加压焙烧就是在压力下对炭制品进行焙烧热处理， 加压焙烧可以提高黏结剂煤沥青的结焦残炭值，有利 于提高焙烧品的密度和机械强度，同时也可以大大缩 短焙烧周期。加压焙烧的方式有：气体加压焙烧、机 械压力加压焙烧和重力加压焙烧。 在焙烧过程中，生坯内煤沥青黏结剂热分解产生 的挥发分气体不断地透过炭坯的气孔和填充料逸出， 并汇入流过炉室的热气流中。当对焙烧体系施加压力 时，这些挥发分气体的逸出就会受到阻力，炭坯中热 分解气体扩散出来的速率放慢，直接抑制了煤沥青的 热分解反应，促进了煤沥青缩聚反应的进行，导致黏 结剂结焦值增加，因此加压焙烧有利于提高黏结剂的 结焦值，从而改善焙烧品的质量。
焙烧最终温度
炭坯中黏结剂煤沥青的焦化在650～700℃ 已基本完成，但加热到700℃以上，焙烧品的 真密度进一步提高，焙烧品的体积收缩仍在进 行，同时机械强度、导电性和导热性继续有所 提高，800℃后体积收缩基本稳定下来。因此 ，为了保证后序工序的成品率，焙烧最终温度 定为不低于800℃(炭坯实际受热温度)，这样 焙烧品在石墨化炉内就能顺利地进行高温热处 理。但由于焙烧炉温度场的不均匀，炉内各部 位温差较大，因此，目前工业生产中最终焙烧 温度(炭坯实际受热温度)一般控制在900～ 1000℃(此时火道温度达到1100～1300℃)。
焙烧曲线中不同阶段的升温速率
当炭坯实际受热温度达到500～700℃时，进 入煤沥青高温焦化阶段，炭制品结构已经形成 并逐渐稳定，因此此阶段升温速率可以适当加 快，升温速率为4℃/h 左右。 当炭坯实际受热温度达到700～1000℃时， 目的是使焦化程度更加完善及进一步提高焙烧 品的性能指标，此阶段升温速率可明显加快， 达到6～12℃/h。
焙烧的目的
(4)提高制品的导电性能。伴随着焙烧过程 中煤沥青黏结剂的焦化和挥发分的大量排除， 炭制品的电阻率大幅度降低，成型生坯的电阻 率约为10000μΩ·m，经过焙烧后炭制品的电 阻率降至30～60μΩ·m，从而有效地提高了炭 制品的导电性能。 (5)提高制品的各项理化性能。焙烧过程中 ，黏结剂焦化，制品体积收缩，机械强度、真 密度、抗氧化性、导热性、导电性和耐腐蚀性 能等都得到了较大幅度的提高，使焙烧炭制品 获得了良好的理化性能和使用性能。
焙烧曲线中不同阶段的升温速率
当生坯实际受热温度达到100～250℃ 时，煤沥青处于熔融软化状态，煤沥青 产生迁移而扩散和流动，炭坯开始变软 并且体积膨胀。若此阶段时间短，则炭 坯产生变形就少；反之，炭坯在软化阶 段停留时间长，产生变形废品就多。故 此阶段升温速度要快，升温速率应高于 4℃/h。
焙烧曲线中不同阶段的升温速率
焙烧热处理过程
(2)煤沥青热分解—炭坯挥发分大量排除阶段 生坯实际受热温度继续升至230～400℃时 ，煤沥青分解速率逐渐加快，尤其在350～ 400℃温度范围内，煤沥青剧烈分解，挥发分 大量排出。为了控制煤沥青挥发分的排出不致 过分激烈，此阶段升温速度必须放慢，即应均 匀缓慢地升温。否则，升温过快，就会造成挥 发分急剧排出，使炭坯产生裂纹。