第七章 焙烧工艺 《炭素材料》教学课件.ppt

* * 第七章 炭素材料的焙烧工艺 7.1 概述 7.2 焙烧工艺 7.2.1 焙烧过程制品的物理化学变化 7.2.2 焙烧曲线的制定 7.2.3 焙烧过程中影响制品质量的因素 7.3 炭素焙烧产品的缺陷分析 7.4 焙烧炉 7.4.1 几种焙烧炉的比较 7.4.2 环式焙烧炉 7.4.3 隧道窑简述（自学） 7.1 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。经过焙烧的炭素制品机械强度稳定，并能显著提高其导热性、导电性和耐高温性。焙烧过程是一个复杂的过程，伴随着许多化学变化，影响焙烧工艺的关键技术参数是焙烧温度。 焙烧的几个具体目的： （1）粘结剂焦化：生制品按一定的工艺条件进行焙烧，使粘结剂焦化，在骨料颗粒间形成焦炭网格，把所有不同粒度的骨料牢固地连结在一起，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。一般中温沥青的结焦残炭率为50%左右，高温（改质）沥青的结焦值在55～60％。 （2）固定几何形状：生制品在焙烧过程中，发生软化，粘结剂迁移现象。随着温度的升高，形成焦化网，使制品硬化。因此，温度再升高，其形状也不改变。 （3）降低电阻率：在焙烧过程中，由于挥发分的排除，沥青焦化形成焦炭网格，沥青发生分解和聚合反应，生成大的六角碳环平面网等原因，电阻率大幅度下降。生制品电阻率大约10000×10-6Ω·m，经过焙烧后降至40～50×10-6Ω·m，成为良导体。 （4）体积进一步收缩：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%。 7.2 焙烧工艺 7.2.1 焙烧过程制品的物理化学变化 制品在焙烧过程中化学变化主要是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；物理变化是指制品的体积密度、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）： 当焙烧制品温度达到200℃左右时，制品的粘结剂开始软化，导致制品坯体变软，体积增大，但质量并不减少；继续加热到200～300℃时，制品内吸附水和化合水以及低分子烷烃被排除。同时，在此温度范围内还将伴随着游离基反应的发生，非芳香族物质获得一定的能量后，呈气态或液态脱离基本构造单位，而在400℃时则表现得最为突出。此时，沥青的粘结能力降低。 第二阶段（400～700℃，半焦的形成过程）： 当温度继续升到400℃以上时，一方面热分解更激烈进行，主要是甲基以及较长的侧链分解产生甲烷、氢、CO和CO2等低分子化合物；另一方面基本结构单位的芳香族在500～650℃时，碳环聚合形成半焦，制品开始硬化，同时体积收缩，导电性与机械强度增加；570℃以上半焦热解并在制品的表面形成一层致密而坚固的碳层。 第三阶段（700～900℃，沥青成焦过程）： 在700℃以后，半焦结构分解剧烈，氢和一氧化碳大量地产生，芳香族碳核结合的程度显著提高，逐渐形成焦炭。同时，对热不稳定的一些原子团从粘结剂的基本结构上失去，发生剧烈的分解反应。与此同时，具有反应能力的原子团又会相互作用产生合成、缩聚反应，生成分子量较大的分子。这种基本构造单位由于侧链脱落而呈活性，有利于基本构造单位进行缩聚反应形成半焦和沥青焦。构成乱层堆积结构基本单位的六角网状平面。到900℃ 左右时，这种二维排列的碳原子网格进一步脱氢和收缩，就变成了沥青焦。粘结剂焦化过程随温度变化见图5-1。 图5-1 从温度范围概观加热变化 第四阶段：（900℃以上，化学变化停止，物理变化深度继续） 焙烧温度超过900℃，挥发分已基本排尽，再继续加热，制品本身的化学变化逐渐停止，外部与内部收缩微弱。为了使焦化程度更加完善，进一步提高各项理化指标（如真密度、气孔率以及强度、硬度和导电性等），因此，产品温度还要继续升高到1000～1200℃。这阶段升温速度可以加快一些不致影响产品的质量，并在达到最高温度后还要保温15～20h。 第五阶段：冷却阶段 高温阶段要控制好降温速度，一般控制在50℃/h为宜。到800℃以下可以任其自然冷现，一般到400℃以下可以出炉。 7.2.2 焙烧曲线的制定 炭素制品的焙烧过程是通过一个从升温到降温的温度制度的实行而完成的。因此，在焙烧工序开始前必须制定一个合理的焙烧曲线。 焙烧各个阶段的加热速度决定着制品所发生的物理化学变化过程。它应当保证制品中的反应进程按这样的速率来进行，即在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