CN103359716A

CN103359716A - 人造碳石墨材料用加压热处理设备

Info

Publication number: CN103359716A
Application number: CN2012100946461A
Authority: CN
Inventors: 郑渊
Original assignee: CHENGDU RUNFENG ELECTRICAL CARBON Co Ltd
Current assignee: CHENGDU RUNFENG ELECTRICAL CARBON Co Ltd
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明涉及一种用于碳素制品压制毛坯烧成的加压热处理设备，其特点是，该设备由压力罐、冷凝器、连接管及压力控制阀组成；压力罐由炉壳、炉盖、发热体、隔热层、冷却水套及砂封等部件组成；冷凝器由壳体、冷凝管、冷却水套、压力控制阀及安全阀等部件组成，连接管由金属管道等部件组成。热处理中产生的气体经冷凝器冷却后可从压力控制阀排出罐外，实现了对热处理压力的有效控制。本发明解决了高密度碳素制品难以烧成，生产周期长，消耗高，污染大等问题。

Description

人造碳石墨材料用加压热处理设备

技术领域

本发明涉及了碳石墨制品压制毛坯热加工用的工业炉设备。用于处理属于国际专利分类号C 01 B31/04的材料或制品。

背景技术

一般而言，制造人造碳-石墨材料是将煅烧后的焦炭经过细磨，与粘结剂（沥青）混合，制成配合料，再经成型，焙烧及石墨化而成。但是，要求这种材料的各项性能必须适合各种用途的需求（例如，密封环、轴承、电刷、电力机车受电弓滑板、放电加工用电极、连续铸造用结晶器、单晶硅及多晶硅热场材料及核反应堆用材料）必须经过复杂而又繁琐的加工。

目前，碳素材料制造工业中所应用的原理是将原料碳素粉体作为骨料，加入适量的沥青作为粘结剂，加热到粘结剂炭化并产生一定强度的温度，此时所有的骨料颗粒粘结成块并具有一定的机械强度，而后用反复浸渍沥青及多次焙烧的方法增加制品的密度并不断提高强度。

在碳素材料制造工业中，用作为骨料的主要有煅烧后的石油焦、沥青焦、天然石墨、炭黑等。这些物料在高温下是不能烧结的，必须加入煤沥青作为粘结剤，在高温的作用下煤沥青在蒸发，热解的同时有一部分发生热聚合，随着温度的持续升高这部分的沥青最终就炭化了，成为另一相的焦炭，保留在碳素压坯中。也是由于这部分焦炭的产生，碳块有了最基本的强度。

焙烧后的碳制品是多孔的，为了获得较高密度和强度的材料可以用煤沥青浸渍，浸渍的过程也是复杂的，必须将待浸渍的碳制品放入压力釜中加热，抽真空并保持一定的时间，需让制品气孔中的空气释放出来从而被抽出罐外，此时注入煤沥青并淹没制品，然后加压，为了浸透制品压力一般保持在2Mpa上下。所以浸渍过程也是复杂的。

浸渍后的碳制品需作二次焙烧，又一次在隔绝空气的条件下加热到1000℃。

按照传统的生产方法，这种碳材料必须符合预期的应用要求，就必须有非常复杂的生产步骤，不仅包括改变填料焦炭的种类或粘结剂的种类（可能是焦炭和粘结剂的混合比）或者是添加添加剂，如天然石墨和类似的物质到焦炭和粘结剂的混合物中去。这样，生产上述碳材料的混合过程就复杂化了。因为作填充料用的焦炭本身是多孔的，同时煤沥青或合成树脂用作粘结剂在焙烧过程中又产生大量的气孔。鉴于这一原因，按上述方法制造体积密度约1.85g/cm³的碳制品往往需要浸渍3到4次沥青及完成相应的4到5次的焙烧过程。

至今，高密度碳材料仍由冗长的工艺过程生产的，典型步骤如下：将煅烧后的焦炭磨成细粉，与粘结剂沥青混合，沥青的软化点为80～100℃，加入量以炭粉为基准，约为25～33%（wt），在加热的条件下捏合。这一捏合料在模具里压制成型，可以用钢模，橡胶模，剂压，等静压等。将压块在1000℃下焙烧，形成的炭化制品表观密度一般为1.3—1.4g/cm³。这种炭化后的物料在溶化沥青中浸渍，浸渍温度为250℃，为了浸透物料浸渍用的沥青可以用煤焦油稀释，二次焙烧浸渍后的碳制品，升温达1000℃，并重复沥青浸渍及二次焙烧步骤，一次到多次，碳材料此时的表观密度可达1.70～1.75 g/cm³。如果需要可以在2800℃下石墨化上述碳材料，石墨化材料的表观密度可以达到1.8 g/cm³或更高。

中国专利CN 102249212 A 《碳素加压焙烧方法》公开了一种加压焙烧的方法。用耐高温并又耐压力的匣钵装盛碳制品压坯，置于焙烧炉内焙烧，该发明推荐压力控制在1.5～2.5MPa(G)。由于金属材料的高温强度低下，不能施以较高的压力。该发明还指出匣钵的材料为不锈钢。按压力容器的设计规范选用的匣钵材料无疑是昂贵的，这样显然大大增加了生产成本。

发明内容

本发明涉及了一种加压的热处理装置，用于碳制品压坯的加压热处理。

本发明的目的是借助于加压热处理装置，提高粘结剂（沥青或树脂等）的结焦率。这样就减少了碳制品的浸渍次数，从而实现缩短制造流程，减少消耗，降低污染的目的。

碳素材料的焙烧过程是将热态下为液体状态的沥青转化为焦炭(固体状态)。在加热的条件下沥青在常压下约有60%(wt)能转化为焦炭，剩余部分将随焙烧烟气排出炉外，不仅带来了严重的环境污染而且造成资源的浪费。沥青是一种不同分子量的芳香烃的混合物，在受热状态下会发生分子的热聚合，同时分裂出小分子量的成分，随着温度的升高沥青分子的热聚合加剧，聚合产物的分子量越来越大，以至于在炭化温度（500－600℃）下炭化。

根据已知的理论升高环境压力会使平衡向生成更大分子量的成分方向移动，并减少小分子量成分的生成；同时压力的升高能使液态物沸点升高，使更多大分子量的组分以液相的方式保留在碳制品当中,这样便增加了焦炭的生成。

众所周知，Antoinc方程式相当正确地描述了凝聚相在平衡状态下温度与压力的关系：

用上述方程计算，列出了部分多环芳香烃在420℃下的蒸汽压，见下表：

表 1

品名	分子量	A	B	C	t	p
							苯	78.11	6.90565	1211.033	220.79	420	140.89
萘(液态)	128.18	6.8181	1585.86	184.82	420	21.34
							喹啉	129.16	6.81759	1668.73	186.26	420	15.78
芴	166.22	7.7618	2637.10	243.20	420	8.29
							蒽	178.22	7.67401	2819.63	247.02	420	3.80
菲	178.23	7.26082	2379.04	203.76	420	3.80
							芘	202.26	5.6184	1122	15.20	420	1.49

其中：

P —— 压力单位kg/cm²；

T —— 温度单位℃；

A，B，C —— 常数。

由上表可见，在加压状态下，沥青中的大部分组分，包括热聚合中产生的众多大分子量的成分在不太大的压力（5～10MPa）下，在400～500℃的温度下能保持液态并炭化。同时在热聚合中产生低分子量的成分，这些成分在上述条件下是不能炭化的，必须排出罐外。

根据上述原理，碳制品的加压热处理设备应该由压力罐，冷凝器，连接导管及压力控制阀组成。

压力罐系受压容器，应附合压力容器设计制造规范。设计压力应为50～100MPa(G)，受压元件的金属温度不应超过200℃。这样，压力罐必须配置冷却水套，为了防止冷却的不均匀，在冷却水套内可设置螺旋状的导流带。密封垫片材料不宜长时间处于高温状态下，应在相应的位置设置专门的冷却通道。

压力罐由内置发热体加热，炉膛温度应在600～1000℃，当然还可以更高。发热体材料根据炉温选择，可以是镍铬合金丝、铁铬铝合金丝等。

发热体固定在压力罐内的支架或砌体上，在支架或砌体与压力罐壁间填充保温材料，防止过多的热量损失。

压力罐内设置内盖，直接盖在压力罐内部砌体上端面上，有效防止更多的热量传到外壳的金属炉盖上，增强了保温的作用。

砂封槽设置在内盖的侧面与压力罐保温层内侧面之间的环状空隙处，使可能产生的高温挥发性成份集中于炉膛内。

压力罐盖同样必须附合压力容器设计制造规范。此盖可以是快开式的,也可以是传统法兰固定的，外部配有冷却水套，内部配有保温层，避免压力罐盖的过多热损失。

冷凝器为立式耐压容器，应附合压力容器设计制造规范，设计条件与压力罐相同。冷凝器应为长径比较大的容器，底部可以加大，用于增大冷凝液容量。上述冷凝器受压壳体的外侧面应配置冷却水套，包括冷凝器的盖。受压气体从冷凝器顶部进入，进气管一直伸到冷凝器的下部，冷凝液的上方。安全阀及压力控制阀匀安装在冷凝器的顶部。

连接导管用于连接压力罐与冷凝器，一端与冷凝器的顶端相连接，另一端与压力罐相连接，连接导管与压力罐及冷凝器承受相同的压力，连接导管上不设置任何阀门或节流装置。由于导管也会受到压力罐内排出的高温气体的影响，所以有必要在连接导管外设置冷却水套，或管内设置隔热层。

压力控制阀用于控制压力罐内的压力，不能超过规定值。由于压力控制阀门的额定工作温度远低于炉温，所以首先采用冷却装置冷却炉内排出的气体，再通过压力控制阀，实现炉内压力的控制。

附图说明

本发明结合附图加以说明。图1是加压热处理装置的结构示意图。该图对本发明所涉及的装置的整体结构作了明确的描述。图2是垫片冷却结构示意图。对本发明所涉及的装置的炉盖9及炉体4之间的垫片18的冷却结构作了具体的描述。

本发明所涉及的加压热处理设备是采用电加热的方式，加压气体主要为氮气或氩气等惰性气体。设备主要包括压力罐1、冷凝器16、连接导管13及压力控制阀14，见图1所示。

压力罐1可以是立式也可以是卧式的，炉体外有水套3，实现对金属炉壳的有效冷却，为了实现均匀冷却，炉壳外壁上焊有螺旋状导流带，确保炉壁的均匀冷却，炉壁金属温度不应超过200℃。炉壳厚度应在实际金属温度下足以承受炉内的压力，压力罐1的设计压力应大于5MPa。炉内有发热体5，及支承发热体的支架或炉膛彻体6，在支架或彻体6及压力罐壁间填充保温材料7。炉盖9的结构与炉体4相似，内侧衬有隔热材料层，外侧设置有冷却水套。

炉体4与炉盖9之间应有垫片18，考虑到垫片材料不适合承受较高的温度，在垫片位置的上（下）方设有冷却水通道，见图2所示。

炉体4上方设有内盖10，内盖10系由耐火材料制作，形状如图1所示，内盖10与炉壁保温层之间装有适量砂子，构成砂封8，如图1所示，对于炉内碳制品毛坯热处理中的挥发性成分起到一定的抑制作用。

冷凝器16以立式为宜，其设计条件应同压力罐1，少量的冷却液17沉积于冷凝器16底部。冷凝器16的外部有夹套，用于保持冷凝器16处于适当的温度，一般在100℃左右,保持冷凝液17处于流动性良好的液体状态。冷凝器16顶盖上附有压力控制阀14，当高于设定压力时，将排出罐内部分气体，以维持设定的压力。冷凝器16的底部设有排污阀，用于排放冷凝液。冷凝器16上部的进气管一直伸到冷凝器16的下部的冷凝液17液面上方。

热处理设备的压力罐1及冷凝器16之间由连接管13相连接，连接管13上不设阀门，直接连接两罐。为了防止金属材料的过热配置了冷却套管。

具体实施方式

用本发明所涉及的设备处理碳素压坯，以下结合实例加以说明。

将φ60×30模压成形的碳制品毛坯裸露的放入预处理炉的炉膛4内（压坯的技术条件见表2），

表 2

此种压坯可以是模压、挤压、等静压的；装炉的方法可以采用焦炭床或裸装。

扣上内盖10，并在砂封8的槽内注入适量的砂子，构成有效砂封。

关上炉盖9，并紧固，确保不会发生气体泄漏。并检查冷却水系统，包括炉体4，炉盖9，及主法兰19内的冷却水通道，冷却水压应不低于3kg/cm²。

开动真空泵（注意此时应首先关闭加压管道阀门），对系统抽真空，系统真空压力应达到 -0.09 MPa 以上，并维持1小时。

开动气体压缩机，储气罐内充气，达到设定压力。待抽真空过程完成，并关闭真空管路阀门后开始加压。缓慢升压，系统压力升到2.5 MPa(G)，停止加压。关闭隔离阀11并保持20分钟。冷态压力可适当调整，或增加或减少。

通电加热，此时随温度升高压力上升。调整好调压阀14的压力，将罐内的压力控制在6.0MPa。也即当压力高于6.0MPa 时，调压阀14开启，放出部分气体；当罐内压力低于6.0MPa 时，开动压缩机进行补压。

在350℃前，升温速率为5℃/min；350～650℃升温速率为0.5℃/min；650～850℃升温速率为1℃/min；在850℃保温0.5小时，共计15小时。

完成加热升温后，加强水套里冷却水的循环，加速冷却，待罐内冷却到200℃以下时，人工缓慢放气直至常压。打开炉盖9，取出产品。

上述产品用煤沥青浸渍后再次加压热处理，产品的体积密度见表3，

表3

体积密度的试验方法按ANSI/ASTM C559-2000 “Test Method for Bulk Density by Physical Measurements of Manufactured Carbon and Graphite Articles”。

以上经过二次热处理的碳制品再经2800℃的石墨化处理，相关性能见表4：

表4

序号	体积密度 g/cm³	抗弯强度 MPa
			1	1.87	54.2
2	1.88	55.8

抗弯强度的试验方法按ANSI/ASTM C651-2000 “Test Method for Flexural Strength of Manufactured Carbon and Graphite Articles Using Four-Point Loading at Room Temperature”，体积密度的试验方法按ANSI/ASTM C559-2000 “Test Method for Bulk Density by Physical Measurements of Manufactured Carbon and Graphite Articles”。

Claims

1.一种人造碳石墨材料用加压热处理设备的结构，其特征在于所述的加压热处理设备包括压力罐、冷凝器、连接管及压力控制阀等。

2. 根据权利要求1所述的加压热处理设备的结构，其特征在于加压罐由能承受压力的炉壳、炉盖及接管组成，加压罐内有发热体、发热体支承、隔热材料、内盖及砂封等，内盖用耐火材料制作。

3.根据权利要求2所述的加压热处理设备中的压力罐的结构，其特征在于压力罐外壁有冷却水套，冷却水套内设置螺旋状导流带。

4.根据权利要求2所述的加压热处理设备中的压力罐的结构，其特征在于炉膛上方设有砂封，内盖的侧面及炉内隔热衬里的内侧面组成了砂封槽的两侧面，砂封槽的下侧面即为炉膛壁的上端面。

5.根据权利要求1所述的加压热处理设备的结构，其特征在于冷凝器是立式金属容器，下部可以扩大些，内有冷凝管从顶部伸入容器下部，外有冷却夹套，冷凝器顶部装有压力控制阀，冷凝器下部装有冷凝液排放阀。

6.根据权利要求1所述的加压热处理设备的结构，其特征在于连接管用于连接压力罐及冷凝器，此连接管上不安装任何阀门或节流设备。

7.根据权利要求1及6所述的加压热处理设备的结构，其特征在于连接管为金属导管，外有冷却套管.。

8.．根据权利要求1及6所述的加压热处理设备的结构，其特征在于连接管为金属导管，内衬隔热材料保温层。

9.根据权利要求1所述的加压热处理设备的结构，其特征在于法兰或凸缘密封垫片槽的背面有冷却水通道，冷却水分别从法兰或凸缘侧面的接口引入及导出。