炭素工艺学

1、石油焦 2、沥青焦 3、冶金焦 4、无烟煤 5、煤沥青

6、其他辅助原料

1、石油焦

石油焦是石油炼制过程中的副产品。石油经过常压或减压蒸馏，分别得到汽油、煤油、柴油和蜡油，剩下的残余物称为渣油。将渣油进行焦化便得到石油焦。因而石油焦的性质主要取决于渣油的种类。

石油焦是生产各种炭素材料的主要原料。这种焦炭灰分比较低，一般小于1％。 石油焦在高温下容易石墨化。石油焦的特性对炭素材料的性能有很大影响。

延迟焦化是将原料经深度热裂化转化为气体烃类，轻、中质馏分油及焦炭的加工过程。 原料一般是深度脱盐后的原油经减压蒸馏所得的渣油。有时在减压渣油中配有一定比例的热裂化渣油或页岩油。

（1）焦化反应

石油焦是由渣油经过焦化工艺而制得的产品。渣油的组成很复杂。渣油与原油同样都是由各种烃类和烃类化合物组成的。在渣油中还有沥青质组分。它与沥青焦有相似之处，但它含有较多氧、氮、硫。在重柴油馏分中沥青质脱去一个脂族基便能转化为树脂质。树脂质和沥青质在高温下会进行缩聚反应，最后可得焦炭。

渣油的焦化反应可归纳为：

1) 渣油中的树脂质—沥青质—焦炭

2) 渣油中的芳香烃等—高分子缩聚物—树脂质—沥青质—焦炭

3) 渣油中的烷烃、环烷烃、带长侧链稠环—芳香烃—高分子缩聚物—树脂质—沥青质—焦炭

（2）石油焦的分类

根据石油焦结构和外观，石油焦产品可分为针状焦、海绵焦、弹丸焦和粉焦4种。 根据硫含量的不同，可分为高硫焦和低硫焦。

石油焦按照硫含量、挥发分和灰分等指标的不同,分为3个牌号,每个牌号又按质量分为Ａ、Ｂ两种。

根据原料渣油的不同，石油焦又分为裂化石油焦、常减压石油焦和页岩石油焦 2、沥青焦

沥青焦是一种含灰分和硫分均较低的优质焦炭，它的颗粒结构致密，气孔率小，挥发分较低，耐磨性和机械强度比较高，其来源是以煤沥青为原料，采用高温干馏（焦化）的方式制备而得。

沥青焦虽然也是一种易石墨化焦，但与石油焦相比，经过同样的高温石墨化后，真密度略低，且电阻率较高、线膨胀系数较大。沥青焦是生产铝用炭素阳极和阳极糊的原料，也是生产石磨电极、电炭制品的原料。

生产沥青焦的原料是中温沥青和高温沥青，高温沥青是中温沥青在氧化釜中用热空气氧化而成。高温沥青粘度大，装炉温度较高，挥发分含量小，有利于装炉操作。

由于沥青焦成焦温度较高，达到1300～1350℃，所以不经煅烧也可以直接使用。但沥青焦从炼焦炉中推出后采用浇水熄火，一般水分含量大，所以在生产中它与石油焦一起按比

例混合后进行煅烧。

沥青焦生产 （1）炉室法 （2）延迟焦化法 3、冶金焦

冶金焦是用几种炼焦煤按一定配比在焦炉中高温干馏焦化而得到的一种固体残留物。生产冶金焦以炼焦煤为主，适当配入部分肥煤、气煤和瘦煤。首先将选好的炼焦煤破碎和粉碎，然后按一定比例进行配煤，混合均匀后送入贮煤塔，通过装煤机将塔中原料煤定量从炉顶装入焦炉炭化室。原料煤在炭化室内处于高温干馏状态。从装煤到出焦的生产周期约15h左右。当焦饼中心温度达到950～1050℃时，即可推焦出焦，送到熄焦塔用水熄焦(或干法熄焦)。冷却后的冶金焦最后经筛选分级，检验入库。

冶金焦是生产各种炭块和电极糊的主要原料，此外还可用作为焙烧的填充料、石墨化的保温料和电阻料。

冶金焦的特点：灰分含量较高，一般为10～15%，挥发分含量为1%左右，不易石墨化。对于炭素生产来说，冶金焦的灰分应尽可能低一些。

炭素生产用冶金焦的质量指标：灰分：≯13．5％；硫分：≯0．8％；挥发分：≯1．2％；水分：≯4.0％。 4、无烟煤

煤是古代植物埋藏在地下，在细菌作用及一定的温度和压力下逐渐变质而得到的含碳量很高的矿物。按变质程度排列，自然界中有泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤。变质程度越高，则煤的含碳量越高，颜色逐渐变深，密度逐渐增大，硬度和光泽也逐渐增强。

无烟煤是变质程度较深的一种煤，含碳量一般在90％以上。它的特点是：有机质含量少、结构致密、强度较高、发热量较高，是生产冶金用炭块、炭电极（如铝电解槽阴极）和电极糊料的原料。

无烟煤是生产炭素材料的主要原料，但是并不是所有的无烟煤都可以作为生产炭素材料的生产原料，能作生产炭素材料的无烟煤必须具有以下条件：

（1）灰份含量要低。灰分含量高的无烟煤生产出的炭素制品质量将会降低，因为无烟煤中的灰分将全部转移到炭素材料中，在一定程度上降低炭素材料的质量。生产阴极炭块和高炉炭块的无烟煤灰份要求在8％以下；生产电极糊的无烟煤灰分应小于10％。

（2）机械强度要高。机械强度较高的优质无烟煤经煅烧后，仍能保持原来的块状，说明强度仍然很高，这样的煤热稳定性能好，是生产炭素制品所要求的主要特性之一。只有原料的机械强度高，才能制造出机械强度高的炭素制品。

（3）热稳定性要高。有的无烟煤在煅烧后容易裂成小块，强度降低，这样的无烟煤热稳定性不好。有的无烟煤在煅烧以后，仍然保持原来的块状，机械强度仍然很高，这样的无烟煤热稳定性好。

（4）硫分要少。若无烟煤中含硫量过多，不仅燃烧时放出SO2气体污染环境，而且容易引起无烟煤块爆裂。 5、煤沥青

煤沥青是炼焦工业的副产品。烟煤在炼焦炉中受高温作用发生热分解，得到三种产物：①焦炭；②煤气；③煤焦油。一吨干烟煤可得到720～780kg焦炭，150～190m3煤气，25～42kg煤焦油。其中煤焦油是生产煤沥青的原料，煤焦油再经过蒸馏得到的残渣便是煤沥青。

（1）煤沥青在炭素材料中的作用

煤沥青是生产炭素材料的粘结剂和浸润剂。它能很好的浸润和渗透到各种焦炭及无烟煤的表面和孔隙。并使各种配入的颗粒互相粘结形成具有良好的塑性状态的糊料。糊料成型或

压型后的阳极炭块或阴极炭块，经冷却后即硬化，并保持成型时的形状。生阳极炭块或阴极炭块在焙烧时煤沥青逐渐分解并炭化，把四周的骨料牢固的连接在一起，获得数量多的、高强度的，在骨料颗粒间起连结作用的由沥青生成的焦炭。

（2）煤沥青的组分

煤沥青是多种高分子碳氢化合物的混合体。一般难于从煤沥青中提取单独的具有一定化学组成的物质，而只能用不同的溶剂去萃取煤沥青，将它分离为若干组分。在炭素材料工业中，现在一般采用苯（或甲苯）和喹啉两种溶剂将煤沥青萃取分为三个组分：

煤沥青 (CTP)

甲苯

甲苯不溶物 (TI) 甲苯可溶物

(TS，或γ 树脂) 喹啉

喹啉不溶物 喹啉可溶物 (QI，或α 树脂 ) (TI-QS或，β 树脂)

（3）煤沥青的性能表征

衡量煤沥青的性能，一般通过软化点、粘度、密度与结焦残炭量、加热后的气体析出曲线等表示。

1）软化点（SP） 煤沥青的软化点是以一定软化程度相应的温度来表示。应与沥青中各组分的比例有关。随着软化点上升，其苯或甲苯不溶物含量增加，组分有增加趋势，组分含量减少。

软化点是煤沥青最重要的物理性质之一，软化点在75℃以下的称为软沥青，软化点在75～90℃之间的称为中温沥青，软化点在90℃以上的称为高温沥青。沥青软化点高，则挥发分含量少，焙烧后残炭量大，制品机械强度高，但沥青熔化、混捏和成型都需要高一些的温度。

2）粘度

沥青粘度随温度而变化，加热到较高温度后，粘度急剧降低。粘度既取决于温度，又取决于沥青本身的特性，在同样的温度下不同产地的沥青粘度可以相差数倍。粘度和软化点都代表沥青的可塑性，影响着炭素生产中糊料的混捏和成型。一般炭素生产只需测定沥青在100～200℃范围内的粘度。

3）沥青的密度

煤沥青的密度反映了它的含氢量或碳氢原子比，煤沥青的密度大，则混捏时填充在骨料颗粒间的沥青量也多，焙烧后制品密度高，机械强度大。煤沥青的密度与其苯不溶物含量及挥发分含量密切相关，一般中温沥青密度约为1.2～1.25g/cm3，高温沥青的密度可达1.30g/cm3以上。

4）结焦残炭值

沥青的结焦残炭值是评价煤沥青质量的重要依据，它与沥青的挥发分含量密切相关，高

软化点沥青结焦残炭值高。沥青的结焦残炭值还与生制品焙烧时的升温速度有关，慢速升温有利于提高残炭量。对于提高炭和石墨制品的密度和机械强度而言，希望煤沥青的结焦残炭值尽可能高一些。在一般工艺条件下，中温沥青的结焦残炭值为54%左右，而高温沥青的结焦残炭值则约为60%。

5）沥青的气体析出量

在加热过程中，沥青的气体析出量并不均匀，软化点不同的沥青，气体析出量也不同。对于软化点为83℃、100℃、134℃的沥青，最大气体析出量的温度范围分别为330～480℃；330～480℃和330～510℃。

煤沥青在加热过程中的气体析出曲线对制定焙烧升温曲线关系很大，因为在某些温度阶段，挥发分剧烈排出，所以要放慢升温速度，否则易产生裂纹废品。

煤沥青的气体析出曲线与其软化点高低有关。煤沥青在加热过程中的气体析出曲线对制定焙烧升温曲线关系很大，因为在某些温度阶段，挥发分剧烈排出，所以要放慢升温速度，否则易产生裂纹废品。

（4）煤沥青的炭化

煤沥青是一大群稠环芳烃化合物及其衍生物的混合物，其中已经确认出的化合物已有几百种之多，因此煤沥青的炭化过程相当复杂。煤沥青炭化时，随着热处理温度的升高，将发生如图所示的多阶段化学反应。这些反应可以概括为两类：前期以热分解反应为主，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则增高。

（5）改质沥青

改质沥青(又称高软化点沥青或高温沥青或硬沥青)。由于它具有一系列的优异特性越来越受到国内外同行们的重视。世界各国炭-石墨制品所用粘结剂由改质沥青来替代中温沥青已达到普及的程度。

国内改质沥青生产方法：主要采用高温热聚法(间歇加压式、连续常压式和常压间歇式)和闪蒸法二种工艺。

●改质沥青作为粘结剂的特点

1)结焦残炭值高，焙烧时可生成更多的粘结焦，制品的机械强度高。 2)软化点高，夏天运输和远距离运输问题易于解决。

3)混捏成型过程中沥青逸出的烟气较少，可减轻环境污染。 4)沥青熔化温度、混捏温度高于中温沥青。

5)改质沥青含有较多的树脂和次生QI，具有较高的热稳定性，有利于提高炭和石墨制品的质量。

（6）煤沥青对铝用炭素阳极质量的影响

煤沥青不仅是阳极材料的重要组成部分，而且其浸润性、流动性、可塑性、渗透性、结焦性和稳定性，尤其是金属微量元素(灰分)的含量及适宜的使用条件对炭阳极质量影响很大。但是，由于煤沥青组成和特性的复杂和可变性，所以很难严格区分单一沥青组分或特性对炭阳极质量的决定影响。

如沥青的甲苯不溶物组分(BI)、喹啉不溶物组分（QI）和β组分，在溶体中可形成均匀分散的胶体，参与形成焦炭粘结网格，成焦率高，致密，使焙烧体强度大为提高，在干料混合体孔隙度大时不溶性组分显得更为重要。但是不溶性组分过高，不利于沥青的湿润性、吸附性，反而会降低制品的强度等，尤其是QI过低，会使糊料分层，偏析，造成自焙槽阳极断层和阳极块焙烧裂纹；但QI过高，不仅使糊料粘结性能差，而且在BI一定情况下，会降低β组分(BI-QI= β组分)。与QI相匹配的条件是，在SP一定时，沥青中QI含量每增加1％，混捏温度需增加2～3℃，或延长混捏时间、增加沥青量或添加活性剂。

沥青的灰分，尤其灰分中的金属元素，是炭阳极与C02和空气反应的催化剂，对阳极

极为有害。

6. 炭素制品的其它辅助原料 （1）煤焦油

煤焦油是炼焦时的副产品，它是黑色粘稠液体，也是多种碳氢化合物的混合物。从煤焦油中可以提炼出上百种有机化合物。在铝用阴极材料(冷捣糊)生产中经过脱水后的煤焦油用来调整煤沥青的软化点。一般中沥青的软化点为75～90℃，而冷捣糊使用粘结剂的软化点只有15～30℃，这就要选用性能相近的不同粘结剂进行适宜的混兑方法解决这一问题。通过在中温沥青中加入量为55～69％煤焦油，混合粘结剂软化点可达冷捣糊对其软化点的要求范围。

冷捣糊适宜的混合粘结剂的配比为： 煤沥青：煤焦油＝(40±5)︰(60±5)

煤焦油的质量指标为：

比重1.16～1.20；灰分不大于0.2％；

水分不大于0.2％；游离碳含量：5～9％。 （2）炭黑

在机械用炭制品、电刷和石墨化炉保温材料方面，需要不少炭黑料。

炭黑料是有机物不完全燃烧的产物，其种类依所用原料与制造方法不同而异： 1） 瓦斯槽黑是以天然气为原料而制得的。

2） 混合槽黑是用煤焦油蒸馏产物与煤气或天然气混合而制得的。 3） 滚筒炭黑是以液态碳氢化合物和煤气混合制得的。 4）高耐磨炉黑是用液态碳氢化合物为原料制得的。 5） 灯烟黑是用液态碳氢化合物为原料制得的。 6） 热解炭黑是在热解炉中让天然气转化为炭黑。

炭黑是生产硬质电化石墨电刷和弧光碳棒的主要原料之一。由于它具有极细的粒度，碳原子排列不规则，颗粒大部分为球状，而且纯度较高，故用炭黑为主要原料制造的产品具有下列特点：各向同性，电阻系数大，机械强度高、纯度高等，在制造高密度制品时，可加入少量炭黑，用它来填充焦碳颗粒间的微小空隙。

（3）天然石墨

天然石墨是一种非金属矿物，大量用于电炭行业生产各种电刷、耐磨材料和石墨坩埚等。 在自然界，纯粹的天然石墨极少以单体存在，一般都以石墨生岩、石墨生麻岩、全石墨的生岩及变质岩等矿物出现。生岩石墨依结晶形态分成晶质石墨和土状石墨两类。

1）晶质石墨

石墨晶体直径大于l微米的鳞片状和块状石墨称为晶质石墨。 2）土状石墨

土状石墨又称隐晶质或非晶质石墨，其晶体直径小于l微米，是微晶石墨的结合体，只有在电子显微镜下才能看到晶形。这种石墨表面呈土状，缺乏光泽，润滑性也差。这种石墨矿品位较高，一般达60～80％，少数到90％以上，但矿石的可选性差。

（4）蒽油

蒽油是煤焦油加热蒸馏到270～360℃之间蒸发出来冷凝后得到的褐色粘稠液体，产量占煤焦油量的20％左右。蒽油的使用目的与煤焦油相同，也是为了降低煤沥青的软化点或粘度。

蒽油对中温沥青软化点的影响作用比煤焦油大，达同一软化温度仅是煤焦油加入量的一半。冷捣糊生产混合粘结剂的配比为煤沥青︰蒽油＝(70±2)︰(30±2)进行混合就可达到冷捣糊对其软化点的要求。

也有在生产冷捣糊时煤沥青：蒽油：煤焦油＝20︰5︰75的混合粘结剂的配比，其目的却是为了使粘结剂的软化点调整到适合生产要求范围之内生产出挥发分含量适中，粘结能力强，结焦率高，质量好的冷捣糊产品。

蒽油的质量指标：

比重：1.1～1.15；苯不溶物：0．5％； 水分：1.5％；

分馏成分：210℃以下不大于10％， 235℃以下不大于25％， 360℃以下不大于60％。 石油焦煅烧工艺及设备

1.碳质原料在隔绝空气的条件下进行高温（1200～1500℃）热处理的过程称为煅烧。 2. 原料煅烧目的

（1）排除原料中的水分和挥发份

炭素原料通常都含有一定数量的挥发份，原料经过煅烧可排除其中的挥发份，从而提高原料的固定碳含量。炭素原料一般都含有3～10％的水份，通过煅烧排除原料中的水份，有利于破碎、筛分及磨粉等作业的进行，提高碳素原料对粘结剂的吸附性能，有利于产品质量的提高。

（2）提高原料的密度和机械强度

炭素材料经过煅烧，由于挥发份的排除，体积收缩，密度增大，强度提高，同时获得较好的热稳定性，从而减少制品在煅烧时产生二次收缩。原料煅烧越充分，对产品质量就越有利。

（3）改善原料的导电性能。

炭素原料经过煅烧后排除了挥发份，同时分子结构也发生变化，电阻率降低从而提高了原料的导电性。一般来说，原料煅烧程度越高，煅后料的导电性越好，对生产制品的质量越有利。

（4）提高原料的抗氧化性能。

炭素原料经过煅烧，随着温度的升高，通过原料的热解和聚合过程，氢、氧、硫等杂质相继排出，化学活性下降，物理化学性质趋于稳定，从而提高了原料的抗氧化性能。

3.煅烧前后焦炭物理化学性质的变化 （1）原料的电阻率变化

（2）原料的真密度变化

各种碳质原料煅烧后的真密度都有较大程度的提高，特别是各种石油焦的真密度，从煅烧前的1.42～1.61g/cm3，提高到2.00～2.12g/cm3，提高了约40%。

（3）原料的抗抗氧化性变化 随着煅烧温度的提高，碳质原料所含杂质逐渐排除，降低了碳质原料的化学活性。同时，在煅烧过程中碳质原料热解逸出的碳氢化合物在原料颗粒表面和孔壁沉积一层致密有光泽的热解炭膜，其化学性能稳定，从而提高了煅后料的抗氧化性能。

（4）原料的体积（密度）变化

所有碳质原料煅烧后体积都有所收缩，但收缩程度不一样，原料挥发分含量大并在煅烧过程中逸出量多，则其体积收缩大。例如，成焦温度比较低的石油焦在煅烧过程中体积收缩比较大，达到20%以上，而成焦温度接近煅烧温度的沥青焦，煅烧后体积收缩很小。

总之，在煅烧过程中，炭素原料的物理化学性质的变化主要取决于炭素原料的性质，也取决于煅烧温度。

4. 目前采用较普遍的煅烧炉主要有三种： （1）罐式煅烧炉；（2）回转窑煅烧炉；（3）电热煅烧炉。 罐式煅烧炉由于加热方式和使用燃料的不同，又可分为：

1）顺流式罐式煅烧炉：燃气的流动方向与原料的运动方向一致。 2）逆流式罐式煅烧炉：燃气的流动方向与原料的运动方向相反。 3）简易罐式煅烧炉：中小厂采用的燃煤煅烧炉。

5. 回转窑内喷入的燃料与原料中逸出的挥发分一起燃烧（也包括少量原料的氧化和自燃），产生的高温在窑内分成三个温度带：

预热带、煅烧带、冷却带。 1）预热带

预热带位于窑尾开始的一段较长区域，物料在此带脱水干燥和排出挥发分。应尽可能利用热烟气的热量和挥发分燃烧热。该带的高温端温度为800～1100℃，加料端温度为500～600℃。窑筒体越短，则预热带也越短，窑尾温度越高，排出的烟气温度就越高。

物料变化：脱水并排出挥发分及硫分。 2）煅烧带（关键带）

煅烧带的起点位于距煤气喷嘴2m左右的地方。该带温度最高达1300℃以上，物料在此带被加热到1200℃左右。煅烧带的长度取决于燃料和挥发分燃烧火焰的长度，一般约为3～5m，如煅烧挥发分含量较高的石油焦，煅烧带的长度可增至8～10m。

（1）煅烧带温度确定：

煅烧带的温度是窑内物料承受的最高温度，它对煅后焦质量起关键作用。但目前还无法直接测量回转窑内的物料温度，只能测量窑内烟气温度或内衬表面温度来代替煅烧带温度。

3）冷却带

冷却带位于窑头端，处于燃烧火焰前进方向的后面，长度为1.5～2m。经过此带，物料温度逐渐降至800～900℃。

6. 回转窑实收率（产能）的影响因素 （1）石油焦质量

在石油焦质量指标中，硫分在煅烧过程中失重很小，灰分则更小，而挥发分将排除殆尽，水分则完全被排除。因此原料焦中水分和挥发分的含量是影响煅烧实收率的重要因素。含量大，则煅烧过程中物料失重大，实收率降低。

（2）石油焦粒度

石油焦粒度的大小或粗细程度一般用粉焦量来表示，粉焦量就是粒度小于8mm的粉料占总物料的重量百分比。粉焦量越大，实收率越低，这是造成实收率低的一个重要因素。

（3）煅烧带温度、长度和位置

煅烧带温度高，促进焦碳氧化反应的进行，使反应速度加快，增大了焦炭的氧化损失，使实收率降低；煅烧带长，焦碳在高温状态下与空气接触的机会和时间增多，引起焦炭的氧化损失增大，实收率降低；当煅烧带位置远离窑头，冷却带较长时，炽热的高温物料在向窑头移动过程中长时间与空气接触，造成焦炭的氧化损失增大，实收率降低。

（4）空气过剩系数

空气过剩系数大，窑内剩余的空气量增大，强化焦炭氧化反应的进行，使焦炭氧化损失增大，实收率降低。

（5）窑内负压

窑内负压大时，烟气流速加快，被抽走的粉料量增大，导致实收率降低。 7. 提高煅烧实收率的途径

（1）控制煅烧带于标准范围内，不仅是温度，煅烧带的长度和位置也要控制。在维持

正常的煅烧条件下，尽量减少窑尾排烟机的总排烟量，降低窑尾烟气流速和温度，窑尾负压不要太大，这样使粉尘抽走量减少。

（2）控制好助燃风量，特别是一次风和二次风对焦炭的氧化烧损影响较大，所以要特别注意不要过量，以降低焦炭的氧化损耗，提高实收率。

（3）原料应预先经过筛分，小于70mm的筛下料不经过预碎而直接供给回转窑使用，减少进窑的粉料量。

（4）保持好冷却机内的负压，防止冷却机中的水蒸气进入回转窑。在冷却筒的进料端设置水管直接喷淋灼热的煅后料，快速冷却，可大大减少煅后料在冷却筒中的氧化，同时产生的水蒸气用风机抽出。

（5）力争实现少用或不用燃料进行煅烧。

（6）窑头严格密封，减少从窑头进入窑内的空气量。

（7）回转窑的温度、空气量和燃料应实现自动测定和调节。 8. 回转窑煅烧碳质物料的优缺点

与罐式煅烧炉和电热锻烧炉相比，用回转窑燃烧碳质物料有以下优点： 1）结构简单，材料单一，造价低，修建速度快。

2）生产能力大，中等规格的回转窑生产能力为2.5～3.5t/h。

3）原料更换方便，对原料适应性强，适用于煅烧各种碳质物料。 4）便于实现机械化和自动化。

5）燃料消耗少，煅烧高挥发分延迟石油焦时，主要靠挥发分的燃烧来维持窑内高温。 6）使用寿命长，一般可用20～30年。 回转窑的缺点是：

1）物料氧化烧损大，一般为10%左右。

2）由于窑体绕一定轴线旋转，并且煅烧物料在窑内转动，造成耐火材料内衬的磨损和脱落，导致物料灰分增加和检修频繁。 煅后焦（煤）粉碎和筛分

1. 粉碎通常按以下方式加以划分： 粗碎――将物料由1000～1500mm破碎到200～ 300mm

中碎――将物料由200～300mm破碎到20～ 80mm 破碎 细碎――将物料由20～80mm破碎到3～10mm 粉碎 粗磨――将物料磨到0.1～0.3mm

粉磨 细磨――将物料磨到0.001～0.1mm

超细磨――将物料磨到小于0.001mm

2. 在炭素材料生产中，通常把粉碎操作分为三个级别： 1）粗碎（或称预碎）：由200mm左右的大块物料破碎到50～70mm（一般指原料在进入煅烧炉前的破碎）。

2）中碎：由50mm左右块度的物料破碎到1～20mm（一般指煅后料进一步破碎到配料所需的粒度）。

3）磨粉（或称细磨）：将1mm左右的物料磨到0.075mm以下。

3. 各种碳块及糊料都是由不同粒度的颗粒组成的。所以，碳块及糊料的性能在很大程度上取决于所采用的原料粒度大小、数量、形状和表面状况等特性。因此，煅后焦（煤）的粉碎和筛分工艺，在碳块和糊料的生产过程中占有重要地位，是主要生产工序之一。

4. 粉碎理论主要是研究物料粉碎过程中能量消耗问题。 5. 物料粉碎评价指标 （1）平均粉碎比

粉碎前物料的平均直径D与粉碎后物料平均直径d的比值i称为平均粉碎比，即D/d＝i，一般简称粉碎比，对破碎来说，则称为破碎比。它主要用来表明物料粉碎前后粒度变化程度，并能近似地反映出粉碎机械的作业情况。

（2）平均粒径 （3）物料的易碎性

物料粉碎的难易程度称为易碎性。物料的易碎性与其本身的强度、硬度、密度、结构的均匀性、粘性、裂痕、含水量及表面形状等因素有关。

物料的易碎性常用易碎性系数来表示。物料的易碎性系数，是以某标准物料的单位动力产量为基准，作相对比较得出的。

6. 常用的破碎方法主要有以下四种：（P72）

（1）压碎：在两个工作面之问的物料，受到缓慢增长的压力作用而被破碎

（2）劈碎：物料受到尖棱的劈裂作用而被破碎的方法.此法多适用于破碎脆性物料。 （3）击碎：物料在瞬间受到外来冲击力的作用被破碎.冲击破碎的方法很多,如静止的物料受到外来冲击物体的打击被破碎;高速运动的物料撞击钢板而物料被破碎;行动中的物料相互撞击而破碎等.此法适用于脆性物料的破碎。

（4）折碎：物料在受到两个相互错开的凸棱工作面间的压力作用而被破碎的方法。此法主要适用于破碎硬脆性物料。

（5）磨碎：物料受到两个相对移动的工作面的作用：或在各种形状的研磨体之间的摩擦作用而被粉碎的方法称为磨碎。该法主要适用于研磨小块物料。

7. 粉碎设备分类 （1）颚式破碎机：活动颚板对固定颚板作周期性的往复运动,物料在两颚板之间被压碎。 （2）圆锥式破碎机：外锥体是固定的,内锥体被安装在偏心轴套里的立轴带动作偏心回转，物料在两锥体之间受到压力和弯曲力的作用而破碎。

（3）辊式破碎机：物料在两个作相对旋转的辊筒之间被压碎。若两个辊筒的转速不同时，还会起到部分磨碎作用。

（4）锤式破碎机：物料受到快速回转部件的冲击作用而被破碎。 （5）轮碾机：物料在旋转的碾盘上被圆柱形碾轮压碎和磨碎。

（6）反击式破碎机：物料被高速旋转的板锤打击，使物料弹向反击板撞击。 （以上是破碎设备）

（7）悬辊式环辊磨机（雷蒙磨） （8）球磨机

（以上是粉磨设备）

8. 影响球磨机磨粉生产的因素 （1）球磨机的转速

球磨机的转速不应太快，也不应太慢。太快则产生的离心力太大，钢球与物料贴在衬板上随筒体一起旋转而不落下，不能起到击碎物料的作用。太慢则钢球与物料从较低的位置落下，甚至只有相对滑动，这样钢球对物料的粉碎能力减弱。

（2）装球量

圆筒内的装球量对球磨机的生产率和研磨效率也有影响。装入圆筒内的钢球最大数量，以不致使沿不同轨迹运动的钢球有可能发生互撞现象为限。装入钢球的数量一般应达到占筒体容积的40%左右，通常装到略低于进出料口的高度。

（3）衬板形状

球磨机的筒体内壁一般镶有衬板。衬板有多种型式的，一般多采用波形衬板和凹坑形衬板。

（4）球磨机直径

随着球磨机直径的增大，在转动时能把钢球带到更高处，下落时其击碎能力大大提高，产量也增大

（5）操作情况

由于在球磨机圆筒内钢球的直径因磨损变小，必须按时选球和补充新球，以保持所规定的装球量，否则会影响球磨机的生产效率。 炭素材料的配料工艺

1. 炭素制品制备的配料工艺是指配方的制定及配料操作，配方将不同粒级的原料和粘结剂按一定的比例配合，其目的是为了得到堆积密度较大而气孔率较小的炭素材料。正确地制定配方及准确地配料操作与炭素制品质量及各工序的成品率关系密切。

2. 配料是炭素制品生产的关键工序，一般来说，炭素制品配方包括以下几个方面的内容：

（1）选择炭素原料的种类；

（2）确定不同种类原料的使用比例； （3）确定固体炭素原料的粒度组成； （4）确定粘结剂的比例。 3. 炭素原料选择的基本原则

总体原则：不同种类的炭和石墨制品，根据其用途和质量指标要求选择不同的原料，同时也考虑其经济性，在质量和用途得以保证的前提下，应尽量选用价廉和来源广泛的原料。

具体原则：（P81）

4. 粘结剂用量确定的一般规律(P87) 5. 各种粒级在配方中的作用

大颗粒在坯体结构中起骨架作用，适当增加大颗粒的尺寸和提高大颗粒的使用比例，可以提高产品的抗氧化性能和抗热震性能，减少压型和焙烧工序的裂纹废品；但另一方面会提高产品的气孔率，降低制品密度和机械强度，加工后产品表面粗糙。

小颗粒（粉料）的作用是填充颗粒间的空隙，在一定范围内增加小颗粒粉料的用量，可以提高产品的密度和机械强度，减少气孔，产品加工后表面比较光洁。

6. 配方中各种颗粒粒度配比的确定依据 （1）产品截面大小

产品截面大，就应该采用较大的粒度和较少的细粉；而截面较小的产品，选用较小的粒度和较多的细粉。例如大直径石墨电极用球磨粉为30～40%（在全部干料中的比例），中直径石墨电极用40～50%，小直径石墨电极球磨粉用量达50～70%。

（2）产品使用要求

对那些要求密度大、强度高、气孔率小和加工后表面较细密光洁的产品，则应采用较细的粒度组成。对那些要求抗热震性和抗腐蚀性好、对机械强度和气孔率要求不高的产品，则应采用较粗的粒度组成。

（3）原料性质

不同原料颗粒的强度系数、回胀系数以及对粘结剂的吸附性能等都存在差异，因此采用不同原料生产同类制品时，各种粒度的比例也需作适当的调整。

（4）工艺条件和工序成品率

每种产品究竟要选用几种颗粒粒度，要视工艺条件和实际生产流程而定，在符合技术要求的条件下，要尽可能在配方中减少粒度级。

7. 最大颗粒尺寸的确定依据 （1）原材料的材质

（2）产品的直径或截面积大小 （3）产品的用途 8. 配方计算

例1:计算生产ø150mm石墨电极的配方 （1）计算条件 工艺要求的技术配方为：

原料：石油焦（63±2）%；石墨碎（10±5）%；沥青（27±2）%。 粒度：﹥2mm 不大于5%，

1~2mm 9%~12%， 0.5~1.0mm 8%~12%， ﹤0.075mm 55%~60%，

（2）确定每锅糊料应取用固体炭素原料及粘结剂的数量

若每锅糊料的总质量为1300kg，沥青用量为27%，则取用沥青的数量为:1300×27%=351(kg）；

固体原料用量为：1300－351=949（kg）。 （3）石油焦及石墨碎的粒度组成

石油焦破碎后筛分为三种颗粒，即2~1mm，1~0.5mm，0.5~0mm，另一部分石油焦经球磨机后磨成粉状。石墨碎破碎成0~2mm颗粒（见表5-1），分别贮入5个贮料斗中。

（4）计算每种颗粒量的取用量

为计算方便起见，先以石油焦和石墨碎取100g为基准。 1)石墨碎用量

按技术配方，以10%计，则石墨碎量为100×10%=10g。 按照表5-1的筛分纯度，

10g石墨碎中2~1mm的粒级为10×22%=2.2g； 10g石墨碎中1~0.5mm的粒级为10×32%=3.2g; 10g石墨碎中0.5~0.15mm的粒级为10×34%=3.4g; 10g石墨碎中0.15~0.075mm的粒级为10×7%=0.7g; 10g石墨碎中﹤0.075mm粒级为10×5%=0.5g; 2）计算石油焦各粒级的用量

2~1mm粒级按技术配方为9%~12%，取其中限为11%， 在100g中2~1mm粒级总量为100×11%=11g；

石墨碎中已有2~1mm粒级的量为100×10%×22%=2.2g； 应取2~1mm粒级石油焦量为11-2.2=8.8g，

但按筛分纯度，2~1mm级中，符合要求的占77%，故100g料中该从2~1mm石油焦贮斗取用量为8.8÷0.77=11（g）

1.0~0.5mm粒级按技术配方为8%~12%,取中限为10%。 而在石墨碎中已有 100×10%×32%=3.2g;

所取2~1mm级石油焦中已有21%，故1.0~0.5mm粒级实际应取用量为： [100×10%－(3.2+11×21%)] ÷0.82=5.4(g)

球磨粉按技术配方要求﹤0.075mm为55%~60%，按57%计算。已取得石墨碎中含有﹤0.075mm 为100×10%×5%=0.5g，而0.5~0mm粒级中还含有14%的﹤0.075mm料。球磨粉中﹤0.075mm的料只有78%，假设球磨粉去用量为x，则

x={100×57% －[0.5+(100 －10 －11 －5.4 －x) ×14%] }÷0.78 解上式：x=72.2(g)

0.5~0mm粒级的取样量可按差减法求得： 100 －(10+11+5.4+72.2)=1.4(g)

将以上结果整理后列于表5-2，即为工作配方。 3）核算粒度组成

在工作配方计算完毕后，应进行固体原料粒度组成的核算：

2~1mm (104.4×77%+51.2×3%+94.9×22%) ÷949=10.8%﹤12% 1~0.5mm (104.4×21%+51.2×82%+13.3×4%+94.9×32%) ÷949 =9.99% ﹤12%

﹤0.075mm (13.3×14%+685.2×78%+94.9×5%) ÷ 949 =57.01% ﹤66%

根据以上核算，固体原料粒度组成均符合要求。

例2：某厂生产Ф300mm石墨电极，每锅料总重为1700kg，加入20%的Ф200mm电极生料，试计算其工作配方。

（1）计算条件

工艺要求的技术配方为：

原料:混合焦 0~4mm,67±5%;

石墨碎 0~4mm,10 ±5%; 沥青 23 ±2%; 粒度组成：＞4mm ＜2.0%；

4~2mm 11 ±3%; 2~1mm 14 ±3%;

＜0.15mm 58 ±3%，其中＜0.075mm占43%~45% 。

对于加入非本身生碎时的配方计算，基本顺序为先计算大配方（新配料），然后再计算小配方(生碎料），以大配方中的各项重量减去小配方中各相应所得之差，即为实际生产中各粒级和沥青的重量，具体计算如下：

（2）大配方计算

1)将原料比换算为固体原料的比例： 混合焦：67÷（67+10）×100%=87%； 石墨碎：10÷（67+10）×100%=13%； 2)确定粒度物料的筛分结果列于表5-3。

确定石墨碎的用量为：4~2mm料5%；2~0mm料8%。 计算混合焦各粒级百分组成：

4~2mm [11－ (5×0.6+8×0.05)] ÷0.65×100%≈12%

2~1mm [14 －(5×0.2+8×0.2)+12×0.25)] ÷0.8×100%≈11% 粉料 (43 －8×0.15) ÷0.75×100%≈56% 对于有技术要求的各项固体原料总用量为：

56%+11%+12%+5%+8%=92%，余下8%可在没有计算要求的粒级中选取：1~0.5mm料3%；0.5~0mm料5%。

进行调整：

4~2mm料 [11 －(5×0.6+8×0.05+11×0.04)] ÷0.65×100%=11%

2~1mm料 [14 －(5×0.2+8×0.2+12×0.25+3×0.02)] ÷0.8×100%=11% 粉料 [43 －(8×0.15+5×0.1+3×0.01)] ÷0.75×100%=55%

总用量为：11%+11%+55%+8%+5%=90%,余下10%选用1~0.5mm料5%； 0.5~0mm料5%。 验算：

+4mm料 11%×0.05+0.05×5%=0.8%﹤2%

0.15mm料 55%×0.95+5%×0.3+ 5%×0.03+11% ×0.01+8% ×0.3 =56.4 % ﹤58%

经验算，符合技术配方要求，将上述计算结果，确定各种料的取用量：去中沥青量为1700×23%=391（kg）；

固体原料量为1700 ×77%=1309(kg)。 固体原料各粒级取用量列于表5-4。 (3)小配方计算

已知生碎料的配比为混合焦：2~1mm料13%；1~0.5mm料10%；0.5~0mm料21%；﹤0.075mm料56%，煤沥青25%。

计算生碎中各粒度和煤沥青的取用量 生碎总量 1700×20%=340（kg） 煤沥青量 340×25%=85 （kg） 混合焦量340 －85=255 （kg）

其中：2~1mm 255×13%=33（kg） 1~0.5mm 255×10%=25（kg） 0.5~0mm 255×21%=54（kg） ﹤0.075mm 255×56%=143（kg） (4)Ф300mm石墨电极总配料单

将大配方中各粒级质量减去小配方中相应粒级质量，就可得到总配料单如下： 混合焦

4~2mm 144 kg 2~1mm 111 kg 1~0.5mm 40 kg 0.5~0mm 11kg ﹤0.075mm 577kg 石墨碎

4~2mm 65 kg 2~0mm 106 kg 生碎 340 kg 沥青 306 kg