不同石墨電極所需的石墨化溫度:生產(chǎn)普通功率石墨電極時(shí),產(chǎn)品應(yīng)到達(dá)的石墨化溫度為2500℃左右,生產(chǎn)高功率石墨電極(電阻率為6~7 m0m)時(shí),產(chǎn)品應(yīng)到達(dá)的石墨化溫度為 2600~2800℃,而生成超高功率石墨電極(電阻率為4.5~6um)時(shí),產(chǎn)品應(yīng)到達(dá)的石墨化溫度為2800~3000℃。
碳材料的石墨化過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)溫度控制過(guò)程,按溫度特性劃分,大致可以分為3個(gè)階段:重復(fù)焙燒階段。室溫至1250℃為重復(fù)焙燒階段。經(jīng)過(guò)1250℃左右焙燒的炭壞具有一定的熱電性能和耐熱沖擊性能,采用較快的升溫速率,使焙燒品在石墨化初期完成預(yù)熱過(guò)渡階段,炭壞結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生很大的變化,制品本身也不會(huì)產(chǎn)生裂紋。
嚴(yán)控升溫階段。1250~1800℃為升溫重點(diǎn)控制階段。在此石墨化關(guān)鍵溫度區(qū)間內(nèi),炭坯的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成發(fā)生了很大的變化,無(wú)定形碳的亂層結(jié)構(gòu)有逐漸向石晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì),同時(shí)伴隨著無(wú)定形碳微晶結(jié)構(gòu)邊緣結(jié)合的不穩(wěn)定低分子烴類(lèi)和雜質(zhì)元素集團(tuán)不斷地分解逸出,并產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷,也促使熱應(yīng)力相對(duì)集中,極易產(chǎn)生裂紋廢品。為減緩熱應(yīng)力的作用,防止熱應(yīng)力過(guò)于集中,避免炭坯產(chǎn)生裂紋,同時(shí)也為了保持一定的保溫時(shí)間,應(yīng)該嚴(yán)格控制此階段的升溫速率。
自由升溫階段。1800℃至石墨化最高溫度為自由升溫階段。在此溫度區(qū)間,碳材料的石晶體結(jié)構(gòu)雛形已經(jīng)基本形成,繼續(xù)升溫,促使其石墨化度進(jìn)一步提高。石墨晶體的完善程度主要取決于最高溫度,保溫時(shí)間的影響已經(jīng)很小,此階段升溫速率可以加快。
]]>石墨化爐的準(zhǔn)確測(cè)溫是尚未解決的難題,其原因是沒(méi)有找到合適的熱電偶來(lái)測(cè)量如此高的石墨化溫度(2000~3000℃)以及石墨化爐環(huán)境的復(fù)雜性。目前石墨化爐溫控制主要通過(guò)“開(kāi)始功率”“上升功率”和全爐計(jì)劃消耗電量進(jìn)行間接控制。有時(shí)為了試驗(yàn)新的通電曲線,了解爐芯溫度分布及研究溫度與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系,可采用以下方式進(jìn)行爐溫大概測(cè)定:1600℃以下可用鉑銠一鉑或者鉑銠一鉑銠熱電偶測(cè)定,1600℃以上可用光學(xué)高溫計(jì)或者光電高溫計(jì)測(cè)定,一般最大量程可達(dá)3200℃。由于石墨化爐內(nèi)煙氣較多,測(cè)溫時(shí)需要采取相應(yīng)的措施,如采用空心石墨化管作為測(cè)溫孔道、用氮?dú)饣蛘邭鍤獯祾邿煔夂蛯?duì)測(cè)溫儀器的某些部件進(jìn)行水冷卻保護(hù)等。
]]>石墨化爐的溫度必須達(dá)到 2200℃以上,因此導(dǎo)入爐內(nèi)的電流強(qiáng)度是很大的,大型石墨化爐通電后期的電流高達(dá)150kA以上,并且石墨化爐通電過(guò)程中電壓、電流、爐阻及功率都在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化,這是一般供電設(shè)備所達(dá)不到的。例如16000kVA直流石墨化供電機(jī)組的整流變壓器采用66kV直降,27級(jí)有載調(diào)壓,變壓器二次電壓為145~38V,經(jīng)大電流開(kāi)關(guān)可倒串并聯(lián)運(yùn)行,串聯(lián)時(shí)直流電壓為340~90 V.采用雙反星形帶平衡電抗器的整流電路,輸出直流電壓為170~45V.輸出直流電流為125 kA。目前,國(guó)內(nèi)石墨化整流機(jī)組都向著大電流、低電壓、增大爐芯電流密度方面發(fā)展,以便縮短送電時(shí)間,節(jié)約電量和提高生產(chǎn)效率。
]]>內(nèi)串式石墨化爐是一種不用電阻料、電流直接通過(guò)由數(shù)根焙燒品縱向串接的電極柱所產(chǎn)生的高溫使其石墨化的電加熱爐,其關(guān)鍵技術(shù)為串接、加壓和通電。中型串接石墨化爐的供電裝置由一臺(tái)自耦調(diào)壓變壓器和一臺(tái)帶平衡電抗器的正反星形整流電路組成,輸出直流電壓可調(diào)范圍為30~200V,最大輸出直流電流為120kA,石墨化的焙燒品直徑為 300~600mm,通過(guò)焙燒品的電流密度為35~50A/cm3,通電時(shí)間為6~12h.最高溫度可達(dá)3000℃,每噸焙燒品石墨化電耗為3150kWh。
大型串接石墨化爐的變壓器、整流柜及開(kāi)關(guān)等全部裝在可移動(dòng)的臺(tái)車(chē)上,石墨化爐則固定在地面上,通過(guò)大電流水冷母線與需通電的石墨化爐連接,整流柜輸出功率為22000kVA直流輸出電壓為35~210V,最大輸出直流為120kA,石墨化的焙燒品直徑為400~600 mm,爐子全長(zhǎng) 24.5 m,其中爐芯長(zhǎng) 21 m。
“內(nèi)串”石墨化工藝具有如下特點(diǎn):內(nèi)熱,“內(nèi)熱”是不用電阻料,電流沿焙燒電極的軸向通入電極,以電極本身作為發(fā)熱體直接加熱;串接,即將電極沿其軸線頭對(duì)頭地串聯(lián)起來(lái);通電時(shí)間短,一般是10h左右;產(chǎn)品質(zhì)量均勻;電耗低;石墨化溫度高;石墨化程度高;工藝操作簡(jiǎn)化,勞動(dòng)條件得到改善。
]]>小型艾奇遜石墨化爐爐身長(zhǎng)10~12m,爐身寬1m左右,每次可裝20t左右焙燒品;中型艾奇遜石墨化爐爐身長(zhǎng)14~16m,爐身寬3m左右,每次可裝40~50t焙燒品;大型艾奇遜石墨化爐爐身長(zhǎng)18~20m,爐身寬4m左右,每次可裝100t左右焙燒品。艾奇遜石墨化爐是世界上應(yīng)用最廣泛的石墨化爐,自1895年發(fā)明后,在世界各國(guó)得到迅速推廣,在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),一直占據(jù)著石墨化爐的主導(dǎo)地位。艾奇遜石墨化爐問(wèn)世百年來(lái)也在不斷地改進(jìn)和完善,從交流爐發(fā)展到直流爐是其重大的技術(shù)突破。
一些主要的技術(shù)指標(biāo)(如送電時(shí)間、單位電耗)及產(chǎn)品質(zhì)量都得到大幅度的改善,但艾奇遜石墨化爐的固有缺點(diǎn),如熱效率低、單產(chǎn)能力小、溫度不均勻等缺點(diǎn)依然存在。具體來(lái)說(shuō)艾奇遜石墨化爐的缺點(diǎn)有:通電時(shí)間長(zhǎng),熱損失大,能量利用率低。大量電能用來(lái)加熱電阻料,保溫料和端墻砌體,而且爐面散熱很大,僅有30%左右的電能用于碳材料的石墨化;爐芯各處溫差較大(高達(dá)數(shù)百度),容易導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋和質(zhì)量不均:裝卸爐時(shí)粉塵大,石墨化期間還會(huì)產(chǎn)生空氣污染;生產(chǎn)周期長(zhǎng)。一臺(tái)石墨化爐從清爐開(kāi)始到裝人制品、通電加熱、冷卻、卸出產(chǎn)品,生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá) 12~14d,而其中通電加熱只需2~3d,雖然每個(gè)爐組設(shè)有6~8臺(tái)石墨化爐,但每臺(tái)石墨化爐在一個(gè)月內(nèi)只能周轉(zhuǎn)2~2.5次;必須使用大量冶金焦作電阻料,每噸焙燒品的石墨化要消耗冶金焦300g左右。
]]>按石墨化爐和供電裝置的相對(duì)位置來(lái)分,可以分為移動(dòng)式石墨化爐和固定式石墨化爐;按運(yùn)行方式劃分,可以分為間歇式生產(chǎn)石墨化爐和連續(xù)生產(chǎn)石墨化爐;按用電性質(zhì)劃分,可以分為直流石墨化爐和交流石墨化爐。按功能分,可以分為單一式石墨化爐和聯(lián)合式石墨化爐。聯(lián)合式石墨化爐是指在一臺(tái)爐子內(nèi)能同時(shí)完成焙燒和石墨化兩個(gè)工序的多功能爐子。
按爐身走向劃分,可以分為直線形石墨化爐和U形石墨化爐。U形石墨化爐是將縱長(zhǎng)的艾奇遜石墨化爐從中間折彎180°成為爐頭和爐尾位于同一側(cè)的爐型,在爐身中間砌一道隔墻,將其分成兩個(gè)平行的裝料區(qū),與爐頭和爐尾砌體相對(duì)的一面墻內(nèi)側(cè)砌石墨塊,使電流能從一個(gè)裝料區(qū)經(jīng)過(guò)石墨塊砌體導(dǎo)人另一個(gè)裝料區(qū)。
按是否通人氣體劃分,可以分為通氣石墨化爐,其在爐芯的底部增設(shè)石墨通氣管管上開(kāi)有多個(gè)小孔,以放散純化氣體;是側(cè)墻成為固定式,并加密封,以避免有害氣體逸出;增設(shè)有害氣體的排氣系統(tǒng)和純化氣體的供氣系統(tǒng)。
]]>已達(dá)到要求而無(wú)需再浸漬處理的浸漬品可直接裝人石墨化爐中在直接石墨化過(guò)程中完成浸漬劑瀝青的炭化,但此方法存在許多問(wèn)題,一般不子采用;大批量浸漬品的二次焙燒以采用隧道窯焙燒比較理想。其特點(diǎn)是:瀝青分解產(chǎn)生的揮發(fā)分可以作為加熱燃料,因而大大降低了燃料消耗;瀝青排出的揮發(fā)分經(jīng)過(guò)充分燃燒后,有害成分大為減少,處理廢氣的環(huán)保設(shè)備得以簡(jiǎn)化;不需要填充料,生產(chǎn)操作比一次焙燒簡(jiǎn)單得多。
二次焙燒的技術(shù)要求。溫度制度:焙燒時(shí)間為138h,最高溫度為700℃,保溫2h。兩側(cè)溫差等于或者小于30℃。上下溫度差等于或小于120℃。溫度波動(dòng)為正負(fù)10℃。壓力。窯內(nèi)壓力:煤氣壓力:等于或不大于 4900 Pa,煤氣壓力不低于 490 Pa。
總管煙道壓力:-392~1176 Pa。浸漬品經(jīng)過(guò)二次焙燒再進(jìn)行石墨化的優(yōu)點(diǎn)如下:可以提高石墨化工序的成品率,縮短了石墨化時(shí)間;可降低石墨化工序的電力消耗;可大量減少石墨化過(guò)程中排出的瀝青分解有害氣體,改善生產(chǎn)環(huán)境;有利于增加浸漬劑瀝青的結(jié)焦殘?zhí)柯?,提高制品的體積密度。
]]>黏度是影響浸漬效果的主要因素之一。浸漬劑在一定溫度下能夠進(jìn)人炭素制品的氣孔中,主要靠黏滯流動(dòng)。所以,使用低黏度的浸潰劑在達(dá)到同樣增重時(shí),所需浸漬壓力及時(shí)間可適當(dāng)減少。對(duì)煤瀝青,采用一定溫度下浸潰,也可降低其黏度。有時(shí)也可加人蔥油或煤焦油等稀釋劑來(lái)降低其黏度。
表面張力及接觸角對(duì)浸漬過(guò)程有一定作用。一般浸潰劑潤(rùn)濕炭和石墨的接觸角小于90°,在 200℃時(shí),煤瀝青與石墨接觸角為72~80°。降低黏度,使接觸角變小,表面張力增大,有利于浸潰。浸漬劑中的雜質(zhì)及懸浮物容易堵塞氣孔,使浸漬難以進(jìn)行,因此浸漬用瀝青的不溶物要比較低。
對(duì)于多次使用過(guò)的浸潰劑需經(jīng)過(guò)清除雜質(zhì)處理再使用,或更換新的浸潰劑。浸漬劑焦化后的析焦率應(yīng)該愈高愈好。析焦率高,浸后產(chǎn)品體積密度大、強(qiáng)度高、氣孔率低、導(dǎo)電性好。一般都用中溫瀝青浸漬,其析焦率高于50%。
]]>浸漬罐浸漬罐是浸漬過(guò)程中的主體設(shè)備。它是一個(gè)帶有加熱夾套的耐真空、耐壓力容器。形狀為圓筒形,由鋼板制成,根據(jù)浸潰制品的尺寸、加熱方式和浸漬方式的不同,浸漬罐有多種規(guī)格。從結(jié)構(gòu)上分,有立式和臥式浸潰罐兩種。浸漬罐的加熱方式有蒸氣加熱、電加熱、燃料燃燒直接加熱、廢氣加熱及有機(jī)熱載體加熱等多種。浸漬罐內(nèi)加壓可以使用壓縮空氣或高壓氮?dú)獾取?/p>
瀝青熔化槽與貯罐。炭素廠購(gòu)人的瀝青都是固體,在使用前必須在熔化槽中熔化為液體,經(jīng)過(guò)脫水,加焦油或蒽油調(diào)整黏度后,保存在貯罐中。瀝青熔化槽實(shí)質(zhì)上是一個(gè)鋼質(zhì)換熱器,形狀為圓筒形或立方形,內(nèi)設(shè)加熱排管或螺旋管,外壁襯有保溫層。工作時(shí),固體瀝青從槽頂加料口加人,蒸氣或其他載熱體流過(guò)加熱管時(shí),通過(guò)管壁間接給熱,使固體瀝青受熱而熔化。瀝青貯罐又稱(chēng)為攪拌罐,外形有圓筒形和立方形兩種。貯罐內(nèi)攪拌裝置可以用機(jī)械攪拌,也可以用壓縮空氣攪拌,但壓縮空氣攪拌易導(dǎo)致瀝青氧化。
]]>浸漬罐為臥式或立式,浸潰罐容積為5.8m,一般用壓縮空氣加壓加壓壓力為0.45~0.5 Pa,真空度為15 Pa左右,每次浸漬炭坯量為2t左右,第一次浸潰增重率為12%~15%,年生產(chǎn)能力為3000t。此生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)密度較低的中小直徑炭坯可以滲透,但對(duì)中等密度的中直徑或大直徑炭坯一般只能達(dá)到30%~70%的浸人深度。
臥式高真空、高壓浸漬系統(tǒng)(間歇生產(chǎn))此系統(tǒng)增加了副罐,采用高真空泵抽氣和高壓氮?dú)饧訅?。副罐所起的作用包?控制主罐內(nèi)的壓力,補(bǔ)充瀝青的消耗,在向主罐注人瀝青時(shí)可不停止真空排氣,對(duì)主罐的壓力起平衡和穩(wěn)定作用,以及避免液體瀝青誤抽至真空系統(tǒng)內(nèi)。浸漬罐容量為26或36m,加壓壓力為1.2MPa,真空度為8.7kPa或8.9kPa,每次浸漬炭壞量為12t或15t,第一次浸漬增重率為12%~18%,年生產(chǎn)能力為8000t或12000t。
半連續(xù)高真空、高壓浸漬生產(chǎn)系統(tǒng):所謂半連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng),是將預(yù)熱爐、浸漬罐及浸漬產(chǎn)品的冷卻室等設(shè)備水平地布置在一條直線上,加上換托架機(jī)構(gòu),形成“單回路”或“雙回路”工藝流程。此系統(tǒng)采用氮?dú)饣驗(yàn)r青泵加壓和冷卻時(shí)淋水冷卻,加壓壓力為1.5 MPa,真空度為1.5~2.7kPa,每次浸漬炭壞量為12~16t,第一次浸漬增重率為12%~18%,年生產(chǎn)能力為18000t。
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