CN105668553B - 利用废料制备高强度炭材料的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用废料制备高强度炭材料的工艺，该工艺将焙烧余料和石墨加工余料合理利用。结合焙烧碎及石墨碎性能特点，通过制备原料、混捏、磨粉、成型、静压成型以及焙烧等工艺，制备出优质碳材料，所得制品具有如下特点：1、体积密度均匀，2、产品强度高，3、各向同性，4、产品内部结构更均匀，成品合格率高。工艺操作简便、环环相扣、使原料在逐步加工中一步步优化，充分的把生产过程中的废品给利用起来，实现了废品的最大价值。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工领域，具体涉及一种利用废料制备高强度炭材料的工艺。
背景技术
焙烧碎：炭素制品在焙烧后产生的废品以及炭块、炭质电极等炭素制品在加工时的切削碎等物料的统称。焙烧碎的机械强度高于各种原料块体的机械强度，因此焙烧碎加入到各类产品的配料中有利于提高各类产品的机械强度。石墨碎，即石墨块，石墨碎产生来源于石墨制品石墨化和机加工过程，是用作添加剂和导电材料在炼钢和铸造工业的石墨废料，石墨碎还被广泛用于电弧炉（炼钢）和电化学炉（冶金和化学工业）。由此，焙烧碎及石墨碎具有优良的性能，但是，现有技术中焙烧碎及石墨碎仍没有得到很好的利用，很多企业没有看到该宝贵资源，考虑到加工成本等因素，多数被丢弃掉，不仅造成了资源的严重浪费，而且造成很大的环境压力，部分企业也尝试了将其作为碳材料制作，但是多存在所制产品合格率底下、产品体积密度低、结构不均匀、强度低，各向同向性差等问题。
技术方案
本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种利用废料制备高强度炭材料的工艺，该工艺将焙烧余料和石墨加工余料合理利用，变废为宝，即解决了环保问题，加工出的炭材料体积密度均匀，产品强度高，各向同性，产品内部结构更均匀，实现了废品的最大价值。
本发明采用如下技术方案：一种利用废料制备高强度炭材料的工艺，该工艺包括以下步骤：
步骤一：制备原料：将焙烧后的废品以及石墨化的废品分别先用破碎机进行破碎，再用球磨机进行磨粉，制成焙烧碎、石墨碎备用；
步骤二，选取原料：焙烧碎60～75%，石墨碎20～30%，碳纤维5～10%；
步骤三，混捏：将步骤二所选原料加入到混捏锅内，首先干混，干混时间80～120分钟，干混温度控制在120～130℃，然后加入煤沥青，煤沥青占步骤一原料总计的20～30%，然后再进行30～60分钟的混捏，混捏温度控制在150～160℃；
步骤四，磨粉、成型：把步骤三混捏出来的料再进行磨粉，首先用磨粉机进行磨粉，粒径控制在D10≥30微米，D50=48～60微米，D90≤85微米，然后将磨出的粉子通过模压成型，模压成型压力为：20～40Mpa。控制压出来的制品体积密度为1.48～1.51g/cm3，制成压型粉；
步骤五，再次磨粉：将步骤四制出的压型粉破碎，把破碎的压型粉再通过球磨机磨粉，并控制压型粉的粒径为：D10≥12微米，D50=25～30微米，D90≤45微米；
步骤六，静压成型：将步骤五磨好的压型粉再通过静压机成型，首先把压型粉装到模具袋里，排除模具袋里的气体，把模具袋口密封好，然后把模具袋吊到一个空架子里，然后把架子吊到等待加压机的缸体里进行压制，控制压制压力：180～200Mpa，压制后制成的生坯体积密度控制在1.55～1.58g/cm3；
步骤七：焙烧：把步骤六压制出来的生坯装到带盖的环式炉内进行焙烧，当焙烧至炉内温度达到1200～1300℃，焙烧制品温度达到900～1000℃时即可停止焙烧，然后降温冷却，降温冷却7～10天，待炉内温度降至300℃以下，焙烧制品即可出炉，出炉后直接石墨化即可。
基于上述技术方案，所述步骤一制备原料中：破碎机破碎粒径小于3mm，球磨机磨粉粒径为：D10≥8微米，D50=20～25微米，D90≤35微米 。
基于上述技术方案，步骤二中原料用料用量为：焙烧碎70%，石墨碎22%，碳纤维8%。
基于上述技术方案，步骤三混捏中，煤沥青占步骤二原料总计的25%。
本发明具有如下有益效果：本发明将焙烧后的废品以及石墨化的废品的合理回收利用，变废为宝，即解决了环保问题，又能制出优质的炭材料。本发明结合焙烧碎及石墨碎的性能特点，设计一套特有的制备工艺，该工艺操作简便、环环相扣、使原料在逐步加工中一步步优化，制备出优质碳材料，充分的把生产过程中的废品给利用起来，实现了废品的最大价值。所得制品具有如下特点：1、体积密度均匀，2、产品强度高，3、各向同性，4、产品内部结构更均匀，成品合格率高。
实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，以便更好的理解本发明技术方案。
实施例1：一种利用废料制备高强度炭材料的工艺，该工艺包括以下步骤：
步骤一，制备原料：将焙烧后的废品以及石墨化的废品分别先用破碎机进行破碎，破碎粒径小于3mm，再进行磨粉，磨粉机选择球磨机，选择球磨机：1、改变粉子的形貌，2、把粉子的纯度要求范围缩小，通过球磨机可以把磨出来的粉子球形化，粉子球形化后各向同性好，在混捏过程中减小摩擦力，球磨机磨出来的粉子粒径控制为：D10≥8微米，D50=20～25微米，D90≤35微米，把粉子粒径控制在这个范围内，以便除去细粉和粗粉，制成焙烧碎、石墨碎备用，其中，焙烧碎具有强度高、收缩小、灰分低等性能特点，石墨碎具有导热好、润滑好、收缩小、灰分低等性能特点；
步骤二， 选取原料：焙烧碎70%，石墨碎22%，碳纤维8%，由于，碳纤维也是中高强度的碳材料，加入碳纤维有助于提高产品的强度；
步骤三，混捏：将步骤二所选原料加入混捏锅内，首先干混，干混时间为100分钟，为了使这3种物料混捏更加均匀，温度控制在123～127℃，然后加入煤沥青，比例按步骤二总量的25%加入，然后再进行40分钟的混捏，温度控制在153～157℃。当煤沥青加入混捏锅内，沥青会通过粉子表面渗入到粉子内部，然后在表面形成一种保护膜，与其他的粉子紧紧的咬合在一起，因粉子在磨粉时已经把形貌整形为球形，在混捏过程中小球混填补大球之间的空隙，球形外的煤沥青粘结剂又紧紧咬合在一起，使混捏出来的糊料更加密实，同时在混捏过程中也提高了糊料各向同性的性能，保证了糊料的稳定性；
步骤四，磨粉、成型：把混捏出来的料再进行磨粉，先用普通磨粉机进行磨粉，粒径控制在D10≥30微米，D50=48～60微米，D90≤85微米，把粉子磨粗点，然后将磨出的粉子通过模压成型，模压成型压力为：30Mpa，此时压出来的制品体积密度为1.49～1.50g/cm3之间，以使粉子增加强度和密实度，制成压型粉；
步骤五，再次磨粉：把步骤四制得的压型粉破碎，把破碎的压型粉再通过球磨机磨粉，通过球磨机磨粉原因是：要把压型粉的粒度形貌也整形为球形，另外还要把压型粉的纯度要求范围再缩小，使压型粉的粒径控制在D10≥12微米，D50=25～30微米，D90≤45微米；
步骤六，静压成型：将步骤五磨好的压型粉再通过静压机成型，首先把压型粉装到模具袋里，在振动平台上捣实排除模具袋里的气体，把模具袋口密封好，然后把模具袋吊到一个空架子里，然后把架子吊到等待加压机的缸体里进行压制，控制压制压力：190Mpa，静压后的生坯制品体积密度均匀、制品的密度、强度提高，制品体积密度在1.56～1.57g/cm3之间，具有良好的各向同性，制品结构更加均匀；
步骤七，焙烧：把压制出来的生坯制品装到带盖的环式炉进行焙烧，当焙烧至炉内温度达到1250℃，焙烧制品温度达到940～950℃时即可停止焙烧，然后降温冷却，可每天从炉内向外挖取部分炉料，以便炉内降温，如此，降温冷却7～10天，待炉内温度降至300℃以下，焙烧制品即可出炉，出炉后，清理炉内炉渣，出炉后的焙烧制品直接石墨化即可。本步骤中因带盖的环式炉温差小，而本实施例采用的材料用的是焙烧碎和石墨碎，在焙烧过程中制品收缩很小，而石墨碎的导热效果很好，制品的体积密度均匀，在焙烧过程中能有效的提高产品的成品率，使制品收缩更加一致，有助于成品率提高。焙烧制品出炉后，直接石墨化即可。
本实施例制备工艺：在两次磨粉中已经把粉子的形貌整形成球形，再次磨粉把粉子的粒度范围给搜小，使产品统一成球形，内部结构更均匀，而通常工艺标准是只要粉子的纯度达到工艺要求后就视为合格，但没有把粉子细分。如：要求粉子过300目的筛网通过率是90%，虽然纯度是达到了，但通过300目的粉子，可能有400目、600目、1000目的细粉，从而导致了制品结构的不均匀性。而本实施例解决了传统技术中制品结构的不均匀性。
实施例2：一种利用废料制备高强度炭材料的工艺，该工艺包括以下步骤：
步骤一，制备原料：将焙烧后的废品以及石墨化的废品分别先用破碎机进行破碎，破碎粒径小于3mm，再进行磨粉，制成焙烧碎、石墨碎备用，磨粉机选择球磨机，球磨机磨出来的粉子粒径控制为：D10≥8微米，D50=20～25微米，D90≤35微米，把粉子粒径控制在这个范围内，以便除去细粉和粗粉；
步骤二，选取原料：焙烧碎60%，石墨碎30%，碳纤维10%，由于，碳纤维也是中高强度的碳材料，加入碳纤维有助于提高产品的强度；
步骤三，混捏：将步骤二所选原料加入混捏锅内，首先干混，干混时间为80分钟，为了使这3种物料混捏更加均匀，温度控制在120～123℃，然后加入煤沥青，比例按步骤二总量的20%加入，然后再进行30分钟的混捏，温度控制在150～154℃。加入煤沥青及混捏温度、混捏时间的控制，使混捏出来的糊料更加密实，同时在混捏过程中也提高了糊料各向同性的性能，保证了糊料的稳定性；
步骤四，磨粉、成型：把混捏出来的料再进行磨粉，先用普通磨粉机进行磨粉，粒径控制在D10≥30微米，D50=48～60微米，D90≤85微米，把粉子磨粗点，然后将磨出的粉子通过模压成型，模压成型压力为：20Mpa，此时压出来的制品体积密度为1.48～1.49g/cm3之间，以使粉子增加强度和密实度，制成压型粉；
步骤五，再次磨粉：把步骤四制得的压型粉破碎，把破碎的压型粉再通过球磨机磨粉，通过球磨机磨粉原因是：要把压型粉的粒度形貌也整形为球形，另外还要把压型粉的纯度要求范围再缩小，使压型粉的粒径控制在D10≥12微米，D50=25～30微米，D90≤45微米；
步骤六，静压成型：将步骤五磨好的压型粉再通过静压机成型，首先把压型粉装到模具袋里，在振动平台上捣实排除模具袋里的气体，把模具袋口密封好，然后把模具袋吊到一个空架子里，然后把架子吊到等待加压机的缸体里进行压制，控制压制压力：180Mpa，静压后的生坯制品体积密度均匀、制品的密度、强度提高，制品体积密度在1.55～1.56g/cm3之间，具有良好的各向同性，制品结构更加均匀；
步骤七，焙烧：把压制出来的生坯制品装到带盖的环式炉进行焙烧，当焙烧至炉内温度达到1200℃，焙烧制品温度达到900℃时即可停止焙烧，然后降温冷却，可每天从炉内向外挖取部分炉料，以便炉内降温，如此，降温冷却7～10天，待炉内温度降至300℃以下，焙烧制品即可出炉，出炉后，清理炉内炉渣，出炉后的焙烧制品直接石墨化即可。因带盖的环式炉温差小，而本实施例采用的材料用的是焙烧碎和石墨碎，在焙烧过程中制品收缩很小，而石墨碎的导热效果很好，制品的体积密度均匀，在焙烧过程中能有效的提高产品的成品率，使制品收缩更加一致，有助于成品率提高。焙烧制品出炉后，直接石墨化即可。
实施例3：一种利用废料制备高强度炭材料的工艺，该工艺包括以下步骤：
步骤一，制备原料：将焙烧后的废品以及石墨化的废品分别先用破碎机进行破碎，再进行磨粉，制成焙烧碎、石墨碎备用，磨粉机选择球磨机；
步骤二， 选取原料：焙烧碎75%，石墨碎20%，碳纤维5%，由于，碳纤维也是中高强度的碳材料，加入碳纤维有助于提高产品的强度；
步骤三，混捏：将步骤二所选原料加入混捏锅内，首先干混，干混时间为120分钟，为了使这3种物料混捏更加均匀，温度控制在127～130℃，然后加入煤沥青，比例按步骤二总量的30%加入，然后再进行60分钟的混捏，温度控制在160℃。加入煤沥青及混捏温度、混捏时间的控制，使混捏出来的糊料更加密实，同时在混捏过程中也提高了糊料各向同性的性能，保证了糊料的稳定性；
步骤四，磨粉、成型：把混捏出来的料再进行磨粉，先用普通磨粉机进行磨粉，粒径控制在D10≥30微米，D50=48～60微米，D90≤85微米，把粉子磨粗点，然后将磨出的粉子通过模压成型，模压成型压力为：40Mpa，此时压出来的制品体积密度为1.50～1.51g/cm3，以使粉子增加强度和密实度，制成压型粉；
步骤五，再次磨粉：把步骤四制得的压型粉破碎，把破碎的压型粉再通过球磨机磨粉，通过球磨机磨粉原因是：要把压型粉的粒度形貌也整形为球形，另外还要把压型粉的纯度要求范围再缩小，使压型粉的粒径控制在D10≥12微米，D50=25～30微米，D90≤45微米；
步骤六，静压成型：将步骤五磨好的压型粉再通过静压机成型，首先把压型粉装到模具袋里，在振动平台上捣实排除模具袋里的气体，把模具袋口密封好，然后把模具袋吊到一个空架子里，然后把架子吊到等待静压机的缸体里进行压制，控制压制压力：200Mpa，静压后的生坯制品体积密度均匀、制品的密度、强度提高，制品体积密度在1.57～1.58g/cm3之间，具有良好的各向同性，制品结构更加均匀；
步骤七，焙烧：把压制出来的生坯制品装到带盖的环式炉进行焙烧，当焙烧至炉内温度达到1300℃，焙烧制品温度达到1000℃时即可停止焙烧，然后降温冷却，可每天从炉内向外挖取部分炉料，以便炉内降温，如此，降温冷却7～10天，待炉内温度降至300℃以下，焙烧制品即可出炉，出炉后，清理炉内炉渣，出炉后的焙烧制品直接石墨化即可。因带盖的环式炉温差小，而本实施例采用的材料用的是焙烧碎和石墨碎，在焙烧过程中制品收缩很小，而石墨碎的导热效果很好，制品的体积密度均匀，在焙烧过程中能有效的提高产品的成品率，使制品收缩更加一致，有助于成品率提高。焙烧制品出炉后，直接石墨化即可。
采用上述实施例一、二、三制备工艺制得的碳材料产品相对于普通碳材料产品性能对比如表一所示：
表一
| 体积体密 | 抗压强度 | 抗折强度 | 电阻率 | 肖氏硬度 | 灰分.c | |
| 普通 | 1.62 | 45 | 29.4 | 15.3 | 33 | 0.07 |
| 此产品 | 1.69 | 71.6 | 46 | 12.1 | 54 | 0.05 |
通过表一对比数据可知，采用本发明实施例工艺制得的产品相对于普通产品具有如下性能优势：1、体积密度增大，体积密度更加均匀，2、产品抗压、抗折强度高，3、产品各向同性，4、产品内部结构更加均匀，5、灰分降低，成品纯度高。
Claims (4)
1.一种利用废料制备高强度炭材料的工艺，其特征是：该工艺包括以下步骤：
步骤一：制备原料：将焙烧后的废品以及石墨化的废品分别先用破碎机进行破碎，再用球磨机进行磨粉，制成焙烧碎、石墨碎备用；
步骤二，选取原料：焙烧碎60～75%，石墨碎20～30%，碳纤维5～10%；
步骤三，混捏：将步骤二所选原料加入到混捏锅内，首先干混，干混时间80～120分钟，干混温度控制在120～130℃，然后加入煤沥青，煤沥青占步骤一原料总计的20～30%，然后再进行30～60分钟的混捏，混捏温度控制在150～160℃；
步骤四，磨粉、成型：把步骤三混捏出来的料再进行磨粉，首先用磨粉机进行磨粉，粒径控制在D10≥30微米，D50=48～60微米，D90≤85微米，然后将磨出的粉子通过模压成型，模压成型压力为：20～40MPa，控制压出来的制品体积密度为1.48～1.51g/cm3，制成压型粉；
步骤五，再次磨粉：将步骤四制出的压型粉破碎，把破碎的压型粉再通过球磨机磨粉，并控制压型粉的粒径为：D10≥12微米，D50=25～30微米，D90≤45微米；
步骤六，静压成型：将步骤五磨好的压型粉再通过静压机成型，首先把压型粉装到模具袋里，排除模具袋里的气体，把模具袋口密封好，然后把模具袋吊到一个空架子里，然后把架子吊到等待加压机的缸体里进行压制，控制压制压力：180～200MPa，压制后制成的生坯体积密度控制在1.55～1.58g/cm3；
步骤七：焙烧：把步骤六压制出来的生坯装到带盖的环式炉内进行焙烧，当焙烧至炉内温度达到1200～1300℃，焙烧制品温度达到900～1000℃时即可停止焙烧，然后降温冷却，降温冷却7～10天，待炉内温度降至300℃以下，焙烧制品即可出炉，出炉后直接石墨化即可。
2.根据权利要求1所述的利用废料制备高强度炭材料的工艺，其特征是：所述步骤一制备原料中：破碎机破碎粒径小于3mm，球磨机磨粉粒径为：D10≥8微米，D50=20～25微米，D90≤35微米 。
3.根据权利要求1所述的利用废料制备高强度炭材料的工艺，其特征是：步骤二中原料用料用量为：焙烧碎70%，石墨碎22%，碳纤维8%。
4.根据权利要求1所述的利用废料制备高强度炭材料的工艺，其特征是：步骤三混捏中，煤沥青占步骤一原料总计的25%。
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Denomination of invention: Preparation of high strength carbon materials from waste materials Effective date of registration: 20201214 Granted publication date: 20171010 Pledgee: Zhengzhou SME Company limited by guarantee Pledgor: PINGDINGSHAN ORIENTAL CARBON Co.,Ltd. Registration number: Y2020980009183 |
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