焙烧

炭素材料的焙烧工艺
1、 概述（焙烧的定义和目的） 2、 焙烧工艺
焙烧过程制品的物理化学变化
焙烧曲线的制定 焙烧过程中影响制品质量的因素 3、 焙烧设备
1、概述
焙烧是影响炭素制品物理化学性能很大的一道关键工序。它是将压型后的炭块（生块） 在隔离空气的条件下，按一定的升温速度进行热处理，使粘接剂（煤沥青）转变为焦炭。 由于生块中的沥青牢固地包裹在炭素颗粒之间的过度层，当高温转化为焦炭后，就在半成 品中构成界面炭网格层，具有搭桥、加固的作用。
（5）最终焙烧温度 ——对于普通炭素制品（如铝用炭阳极和阴极），最高焙烧温度控制在1100~1200℃， 过高浪费能源，过低有损质量；
——对于需石墨化的制品，最终焙烧温度不低于800℃能保证其在石墨化炉里急剧加 热的过程中的完整性。同时，石油焦电ຫໍສະໝຸດ Baidu焙烧温度提高到800℃以上时能在很大程度 上改善石墨化品性质。
——“两头 快、中间慢” 的原则
——总体原则：
在粘结剂软化状态阶段不使制品变形，在粘结剂热分解形成固体残炭阶段不 使制品弯曲、变形、开裂，并且应得到最大残炭量和骨料烧结强度。 ——具体路线： 400℃以前，制品没有显著的物理化学变化，加热速度可以适当加快； 900℃以后，粘结剂的焦化过程基本结束，升温速度可以加快；
（4）制品加热速度
加热速度的快慢首先取决于制品的直径以及炉室内温度分布的均匀性。随着制品直径和 炉室体积内温差的增大，制品加热速度应当减慢。 ——如石油焦电极制品的一般加热速度与其直径的关系见表。
电极直径 Mm 150 200 250 300 350
平均升温速度，℃/h
250～450 2.6～3.0 2.3～2.7 2.1～2.4 1.9～2.1 1.7～1.9 450～650 5.2～6.0 4.6～5.4 4.2～4.8 3.8～4.2 3.4～3.8 650～850 10.4～12.0 9.2～10.8 8.4～9.6 7.6～8.4 6.8～7.6
400
500 555
1.5～1.8
1.3～1.5 1.2～1.4
3.0～3.6
2.6～3.0 2.3～2.8
6.0～7.2
5.2～6.0 4.8～5.6
200～700℃期间，是挥发分大量排出和沥青焦化期，为了提高沥青的残炭率，改善制品的各种理化性 能，该阶段必须严格控制升温速度，如果升温过快，会造成挥发分急剧排除，使制品产生裂纹。同时 制品结构疏松，孔度增加，体积密度下降。
石墨化品
电极加热温 度℃ 600 750 800 900 焙烧品电阻 率· m 320 62 46 32 电阻率 · m 19.8 10.2 7.9 7.0 抗拉强度 Mpa 3.28 5.45 6.23 6.88 膨胀系数 10-6K-1 3.58 2.65 2.10 1.82 石墨化工序 合格率% 45.0 96.0 100.0 100.0
3、700 ℃—750 ℃,形成粘结胶；
4、750 ℃以后结构重排以及深度炭化。
沥青迁移机理及预防：
沥青软化之后，在重力的作用下，沿着固态炭质物料的空 隙向下流动，从而产生迁移。另外一个就是温度差，沥青从 高温向低温方向移动。沥青的迁移有横向迁移（焙烧密度差 0.01），纵向迁移（焙烧密度差0.01—0.03）
1、控制粘结剂用量；2、对于大颗粒配方，采用高软化温 度改质沥青；3、缩短焙烧升温曲线的低温阶段.
2、焙烧工艺
1）焙烧过程制品的物理化学变化
——化学变化：粘结剂煤沥青的焦化过程，即煤沥青进行分解、环化、芳 构化和缩聚等反应的综合过程； ——物理变化：制品的体积密度、真密度、气孔率以及强度、硬度和导电 性等指标的变化。 第一阶段——400℃以下，水分和低分子有机物的排除
在实际生产中，焙烧曲线的确定主要还是根据产品在焙烧过程中各种理化 指标变化的客观情况，同时，还应考虑产品的种类、规格、填充料性质、 炉体结构和运转炉室个数等因素。
（1）根据产品在焙烧过程中的变化规律制定焙烧曲线
焙烧曲线应该与沥青挥发分的排出速度和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。
——焙烧的目的：
（1）粘结剂焦化 使制品具有一定的理化性能。在 相同条件下，焦化率越高，其质 量越好。 （3）降低电阻率 生制品电阻率大约10000×106Ω·m，经过焙烧后降至40～ 50×10-6Ω·m，成为良导体。 （2）固定几何形状 粘结剂随着温度的升高，形成 焦化网，使制品硬化。 （4）体积收缩 焙烧后制品直径收缩1%左右，长度 收缩2%左右，体积收缩为2～3%。 （5）提高理化性能 强度、密度、抗氧化性、导热性等 理化性能大幅度提高。
第二阶段——400～700℃，半焦的形成过程
第三阶段——700～900℃，沥青成焦过程 第四阶段——900℃以上，化学变化停止，物理变化深度继续
第五阶段——1200℃保温，15~20h，稳定物理性能，完成体积收缩
第六阶段——冷却阶段，1200℃到800℃稍缓，800℃以下自然降温
2）焙烧曲线的制定
4）升温曲线速率的确定
（1）100—250℃ 沥青软化，速率要快，否则出现废品，高于4℃/h； （2）300—500℃ 挥发分大量排出，要慢，否则出现裂纹，低于2℃/h； （3）500-700 ℃ 制品结构稳定，速率稳定在4 ℃/h左右； （4）700—1000 ℃ 为使焦化更完善，进一步提高理化性能，可加快，6—12 ℃/h；
（4）根据填充料的种类和燃料的种类制定曲线
例如：装400mm电极时用两种填充料焙烧成品率大不一样，用煅后冶金焦的焙烧成品 率为72%，而用河砂的才42%。这就说明，大规格的制品由于填充料种类不同不能采用 相同的曲线。
（5）根据不同的压型品制定焙烧曲线
生制品中骨料颗粒大小、油量多少、压型方式不同，焙烧时所用曲线也不同。 ①生制品体积密度大的制品，升温速度要慢些；体积密度小的制品，升温速 度要快些。 ②粘结剂用量不同的制品，升温速度也不同，用量偏大，升温速度可快些； 用量偏小，升温速度可慢些。 ③生制品中骨料粒度不同，选择焙烧曲线也不相同。骨料粒度大，升温速度 可慢些，曲线长；骨料粒度小，升温速度可快些，曲线短一些。
（2）根据产品的种类和规格制定曲线
例如：炭块不经石墨化，焙烧温度略高于电极的温度，电极需石墨化，焙烧温度稍低；炭 电阻棒要求电阻率大，故最高温度控制在1000℃；大直径的制品截面大，内外温差大，为
了减少裂纹废品，曲线则要求长些，升温速度要慢些，小直径的产品则相反。
（3）根据炉型结构制定曲线
例如：如500mm电极装入有火井带盖焙烧炉内用280h曲线则比无火井带盖焙烧炉用320h 曲线焙烧质量好。而容器焙烧则用280h曲线焙烧600mm电极，获得了良好的质量。
（9）冷却速度 如出炉温度由100℃提高到800℃，在制品表面层（深10～15mm）产生的热应力，对直 径为555mm，300mm，250mm（浸渍品）的用品分别由1.0、1.2、1.8MPa增大到12.0、 15.2、19.4MPa。离表面50～60mm深度处，同样的制品其应力则分别由0.6、0.8、 1.2MPa增加到7.5、8.5、13.6MPa等。
3）焙烧过程中影响制品质量的因素
（1）粘结剂软化点 制品体积密度变化值随着粘结剂软化点的升高而增大。 （2）混捏温度和时间 焙烧时电极制品的膨胀和质量损失在混捏时间不变时随混捏温度的增加而减小， 在混捏温度不变时，随混捏时间的增加而降低。 （3）粘结剂含量 生制品中粘结剂含量增加，焙烧时制品的体积的变化速度和变化值急剧增大， 制品的变形程度也增大。糊料中粘结剂的含量超过最佳值时，在焙烧开始阶段制 品的膨胀增大；当粘结剂热解时，焙烧制品绝对收缩减小，质量损失速度和总损 失量增大，变形和裂纹废品增加，因而焙烧品的理化性质变坏。
沥青炭化的机理：
焙烧就是沥青发生分解、环化、芳构化、缩聚，最后炭化形成结焦 的过程，沥青的热解从300℃开始，主要分为以下几个过程： 1、300 ℃—400 ℃，沥青前期热分解为主，后期热缩聚反应为主，随 着缩合环数的增加，热稳定性增大； 2、400 ℃—500 ℃，中间相已经半焦化形成。基本的构型在这时确定；
（6）电极长度和直径方向的温差 温差的存在决定了制品各段上的加热速度以及热处理时的最终温度的不同，因而使焙 烧品和石墨化品的最终性质在长度上存在不均匀性。
（7）装炉方式和炉箱条件 不遵守装炉方案、装炉顺序、装炉条件以及违反制品在炉室的密封条件，将会产生变形 和裂纹废品。 （8）填充料性质 填充料的堆积密度和导热性随着水分的增加而减少，而可压缩性却增大。含水填充料能 导致制品变形和未烧成。