炭素材料浸渍及石墨化工艺
炭素材料浸渍及石墨化工艺
浸渍的基本概念
浸渍（ impregnation）的定义:
用非金属物质（如油、石蜡或树脂）填充烧结件的连通开孔孔隙的方法
浸渍的原因：炭素制品经焙烧后由于大量气孔的存在必然会对产品的理 化性能产生一定的影响。一般说来，石墨化制品的孔度增加，其体积密度 下降，电阻率上升，机械强度减少，
在一定的温度下的氧化速度加快，耐 腐蚀也变坏，气体和液体更容易渗透。 浸渍的目的：浸渍是一种减少产品孔度，提高密度，增加抗压强度，降 低成品电阻率，改变产品的理化性能的工艺过程。 浸渍机理：在一定的温度和压力下，迫使液态浸渍剂浸入多孔材料的气孔中， 以提高其体积密度和降低其渗透率的机理。
浸渍是提高与改善炭素制品物理和化学性能的重要措施，特别是对需要高强度和高密 度、低渗透的炭素制品来说，为了减少孔隙率和提高体积密度、机械强度和降低渗透 率都必须经过一次或多次浸渍作业来实现。
8.2. 炭素制品的孔径分析
经压型后的生制品孔度很低。但是生制品在焙烧后，由于煤沥青在焙烧过 程中一部分分解成气体逸出，另一部分焦化为沥青焦。生成沥青焦的体积 远远小于煤沥青原来占有的体积，虽然在焙烧过程中稍有收缩但仍在产品 内部形成许多不规则的并且孔径大小不等的微小气孔在石墨化制品的总孔 度一般达25-32%，炭素制品的总孔度一般为16～25%。
炭素制品中包括两种不同的气孔： 1）开口气孔：开口气孔是和外界大气相贯通的，其大小差别很大，一 般气孔的孔径在0.01～100μm的范围内，其中孔径大于1μm的开口气孔约 50%以上，0.1～1.0μm孔径的约10～25%；孔径0.01～0.1μm的约10～20%； 小于0.01μm的一般在10%以下。 2）闭口气孔：闭口气孔是不和外界大气相贯通的。所以浸渍对闭口气 孔是不起作用的。
8.3 炭素制品的浸渍
将焙烧出来的半成品装入铁筐内，随铁筐一起放入预热箱，在260～320℃的 温度下预热并保温4h以上。预热后的产品迅速连同铁筐一起装入浸渍罐内 （此前浸渍罐应预热到100℃以上）。关闭罐盖开始抽真空，真空度要求 86659.3Pa以上，抽真空时间不少于45分钟。然后向罐内加入160～180℃的煤 沥青，再加压。加压结束后抽出浸渍剂，并加水冷却制品。
预热的目的： 1）驱除微孔中吸附的气体。 2）排除孔隙中吸附的水分。 3）制品本身的温度与浸渍 剂温度相匹配。
8.4 关于浸渍介质
炭素制品浸渍介质多用煤沥青。浸渍后的沥青返回到沥青贮罐内，一 般在一个月之内更换一次。 沥青更换的原因：浸渍沥青在浸渍过程中，要经过加热、压缩空气搅 拌等，则沥青将发生氧化缩合，轻馏分跑掉，沥青分子增大，沥青软化 点增高，游离碳含量增加。这样便会使沥青浸润能力减弱，以至影响浸 渍效果。 ●对浸渍煤沥青的技术要求 煤沥青技术指标如下： 1）灰分：不大于0.3%。 2）水分：不大于0.2%。 3）挥发分：60～70%。 4）软化点：55～75℃（水银法）。 5）游离碳：18～25%。 煤沥青软化点不符合要求时，用蒽油调节，葱油的质量指标如下：水分 不大于0.5%；苯不溶物不大于0.5%；比重1.1～1.15g/cm3。
8.5 石墨化
8.5.1 石墨化的定义及其作用 石墨化是把焙烧制品置于石墨化炉内保护介质中加热到高温，使六角碳原 子平面网格从二维空间的无序重叠转变为三维空间的有序重叠，且具有石墨 结构的高温热处理过程。 石墨化的目的： 1）提高产品的热、电传导性。
2）提高产品的耐热冲击性和化学稳定性。
3）提高产品的润滑性、抗磨性。 4）排除杂质，提高产品强度。
8.5.2 石墨化工艺
1）石墨化与焙烧的区别
石墨化制品与焙烧制品的主要差 项 目
电阻率，?10-6?·m
焙烧品
石墨化品
别在于碳原子和碳原子之间的晶
格在排列顺序和程度上存在着差 异。焙烧品的碳原子排列属于 “乱层结构”，而石墨化品属于 “石墨结构”，内部微观结构不 同。它们在宏观表现的理化性质 也不同。从表上可以看出，焙烧 品经石墨化后，电阻率降低到 1/3:1/4，真密度提高约10%，导 热性提高10倍，膨胀系数约降低 1/2，氧化开始温度提高，杂质气
40～60
2.00～2.05 1.50～1.60 24.50～34.30 20～25 0.5
6～12
2.20～2.23 1.50～1.65 15.68～29.40 25～30 0.3
真密度，g/cm3 体积密度，g/cm3 抗压强度，Mpa 孔度，% 灰分，% 热导率，W/(m·k)
3.6～6.7 (175～675℃) 1.6～4.5 (20～500℃)
450～550
74.5 (150～300℃) 2.6 (20～500℃)
600～700
膨胀系数，10-6k-1 开始氧化温度，℃
化逸出，机械强度有所降低。
2）石墨化工艺过程
炭素产品在石墨化过程中，按温度特性大致可分为三个阶段。
（1）重复焙烧阶段 室温至1300℃为重复焙烧阶段。经1300℃焙烧的产品具有一定的热电性能和耐 热冲击性能。此阶段产品仅是预热，产品内没有多大变化，一般认为，在这阶段采 用较快的温升速度，产品也不会产生裂纹。
（2）严控温升阶段 这阶段的温度范围为1300～1800℃。在这个温度区间内，产品的物理结构和化 学组成发生了很大的变化，碳平面网格逐渐转化为石墨晶格结构，同时低烃类及杂 质不断向外散逸，这些变化引起结构上的缺陷，促使热应力过分集中，极易产生裂 纹废品。为减缓热应力的作用，应严格控制此阶段的温升速度，防止产品产生裂纹。 （3）自由温升阶段 1800℃至石墨化最高温度，为自由温升阶段。此时产品的石墨晶体结构已基本形成， 温升速度已影响不大。但石墨化的完善程度，主要取决于最高温度，所以温度越高 越好。
8.5.3石墨化工艺的影响因素
影响石墨化的主要因素是原料、温度、压力和催化剂等。
1）原料 在石墨化制品生产中，选择易石墨化的原料是先决条件，在同样热处理温度下， 易石墨化碳更容易成长为石墨晶体（见表）。因此，高功率、超高功率电极都采用易 石墨化的针状焦故原料。
石墨类型 定向石墨 针状焦石 墨 所用焦炭 定向焦 针状焦 热 处 理 X-光数据
温度，℃
3000 2800
时间，min
30 60
C，A
6.714 6.781
Lc，A
1400 590
热解石墨
3100
18
6.712
∞
假如我们选择的原料质量不好，特别是含硫最高，那么在石墨化过程中，这些元素 的原子就会不同程度地浸入碳原子的点阵，并在碳原子点阵中占据位臵，造成石墨 晶格缺陷，使制品石墨化程度降低。
2）温度 温度决定着石墨化程度。不同的碳材料，开始石墨化温度不同。石油焦一般 在1700℃就开始进入石墨化，而沥青焦则要在2000℃左右才能进入石墨化的转 化阶段。制品的石墨化程度和温度的关系如表所示。
在该温度下停留时间 min 68
63
温度，℃ 2000
2250
电阻率 ?· cm 0.00352
0.00235
相邻晶层距离 ? 3.4233
3.3989
2530
2780
67
60
0.00130
0.00105
3.3743
3.3674
3000
68
0.00085
3.3644
石墨化程度和高温下的停留时间也有一定的关系。但效果远没有提高温度明显。
在实际生产过程中，保温操作是为了使炉内温度达到均匀，致使产品质量均匀。
3）压力 加压石墨化有明显的促进作用。研究者把石油焦等碳化物在1～10GPa的压 力下加热时发现，在1400～1500℃的低温下就开始石墨化。相反，减压石墨 化时，对石墨化有抑制作用。实践证明，如果石墨化在真空条件下进行，则 它将达不到一般大气压下能够达到的石墨化程度，如图所示。
石油焦制品层间距与大气压和温度的关系 ●—大气压；○—低气压；?—真空
4）催化剂 在一定的条件下，添加一 定数量的催化剂，可以促进 石墨化的进行，如硼、铁、 硅、钛、镍、镁及其某些化 合物等。
催化剂的添加有其最佳加 入量。过多地添加必将适得
其反。目前在炼钢用的石墨
电极中常添加铁粉或铁的氧 化物作添加剂。
8.6 石墨化炉
8.6.1 石墨化炉的加热原理 石墨化炉是采用制品和电阻料做“内热源”的电阻炉。然而电阻料的电 阻率是制品的99倍。因此，实际上全部焦耳热是由电阻料发出的，而电极 制品的加热是通过电阻料颗粒的热传导和热辐射来进行的，所以，在石墨 化炉中电极制品本身的加热是间接式的。因而，石墨化炉的发热主要是电 阻料的发热。根据焦尔-楞次定律：电流通过导体时所产生的热量与通过的 电流的平方成正比，也与导体电阻大小以及通电时间成正比。其计算公式 如下： Q=I2Rt 式中Q——电流通过导体所产生的热量，J； I——电流，A； R——导体的电阻，Ω； t——通电时间，s。
石墨化炉在运行中，炉阻、电流、电压都在不断地变化，功率也在不断地改变，因此， 实际计算应用下式：
Q ? Pt
式中
P
——平均功率，J/s。
8.4.2 石墨化炉简介 目前，工业石墨化炉都是电热炉。按加热方式区分，可以分为外加热法、内 加热法和间接加热法；按运行方式区分，可以分为间歇式生产与连续生产两 种。
（1）艾奇逊石墨化炉
（2）内串石墨化炉 （3）“∏ ”形石墨化炉 （4）间接加热的石墨化炉
（1）艾奇逊石墨化炉 以产品与少量的电阻料（焦粒） 共同组成导电的“炉芯”，炉芯 周围有很厚的保温料。其炉体结 构如图所示。
艾奇逊石墨化炉产量大，石墨 化产品规格不限，是我国用得 最多的一种炉型。不过，工艺 上有不可克服的弱点，如热效 率不高，操作环境，环保治理 难以改善。
1—炉头内墙石墨块砌体；2—导电电极；3—炉头填充石墨粉空间； 4—炉头炭块砌体；5—耐火砖砌体；6—混凝土基础；7—炉侧槽钢支柱； 8—炉侧保温活动墙板；9—炉头拉筋；10—吊挂活动母线排支承板；11—水槽
（2）内串石墨化炉
这是一种不用电阻料的内热式加热炉。电流通过产品产生的“焦耳热”，几乎大部分加 热了产品，所以产品温度比较均匀。这种炉子的工艺特点要求电流密度高，比艾奇逊炉 高15～25倍。由于产品自身加热快，高温时间短，所以电损小，热损少，工艺本身不用 电阻料，简化了工艺操作。炉芯温度可达2700℃以上，石墨化程度高。能量利用率达到 49%。这种炉子只能石墨化大规格产品，并且要用针状焦生产超高功率石墨电极。
1—炉尾电极； 2—导电石墨块； 3—炉头电极； 4—中间隔墙； 5—耐火砖墙； 6—红砖墙
（3）“∏ ”形石墨化炉 “∏”形石墨化炉实际上是将两台艾奇逊石墨化炉合并后串联的一种新炉型， 如图所示。这种炉子由于导电电极都在炉子的一侧，所以省去了一般石墨化 炉两侧必需的移动母线排，因此节约电能。它的缺点是中间炉墙容易损坏， 且全炉产品质量不均等。
1—石墨块砌体； 2—炉墙； 3—装入产品（立 装）； 4—导电电极；5— 隔墙
（4）间接加热的石墨化炉
间接加热的石墨化炉中，待石墨化炭制 品不与电源直接接触，加热到石墨化温 度所需的热量是通过感应途径从另一个 发热体传递过来的。最简单的间接加热 石墨化炉如图所示。这是一种用焦粒作 电阻的发热体的管式炉。待石墨化产品 可连续通过一根埋在焦粒中的石墨管而 实现石墨化。炉体尺寸为1m见方，石 墨管的内径只有50mm，长为2m。通 电后，石墨管的中心部位温度可达到 2500℃。这种炉子只能生产小规格产 品，待石墨化产品要借助外力推动并以 一定速度连续通过石墨管。
1—导电电极；2—炉体外墙；３—焦 粒电阻料；４—炉管；５—冷却水管
课程总结
炭 素 材 料 基 本 知 识
炭素材料定义及其三大常用基础晶型态物质 炭的基本形成过程和存在的形式 炭素材料（制品）的特性和基本类型 铝电解阴极炭块的种类及性能要求 高炉炭块的性能要求 石墨制品的特性及常用原料 炭素材料在国民经济发展中的重要意义
炭 素 材 料 的 制 备 原 料
主要原料的种类 石油焦的来源及分类 煤的形成以及无烟煤与普通煤的区别 煤沥青的形成及其在炭素材料制备中 的作用 煤沥青性能表征方法
石 油 焦 煅 烧 工 艺 及 设 备
原料煅烧的目的 煅烧过程中原料的物化性质的变化 煅烧设备的分类 回转窑煅烧中窑内的温度分布 回转窑煅烧的关键工艺控制 回转窑煅烧炭素原料的优点和缺点
煅后焦（煤）粉碎和筛分
物料粉碎评价指标 物料粉碎的主要方法 粉碎设备的分类 球磨机的工作原理 筛分分级的表示方法 筛分纯度的计算方法
炭素材料的配料工艺
配料过程中炭素原料选择的基本原则 配料过程中生产返回料的种类 粘结剂在配料中的作用及要求 配方中各粒级的作用 配方中最大颗粒的确定依据
炭素材料制备的混捏和成型工艺
混捏的目的 混捏的主要工艺参数 影响混捏质量的因素 成型的主要方法及原理
炭素材料的焙烧工艺
焙烧的目的及其与煅烧的区别 焙烧过程制品的物理化学变化 焙烧过程中影响制品质量的因素 焙烧炉的分类 环式焙烧炉的工作原理
炭素材料浸渍及石墨化工艺
炭素材料浸渍的目的及浸渍机理 炭素制品浸渍的介质及要求 炭素材料石墨化的目的 石墨化与焙烧的区别 炭素材料石墨化工艺的影响因素