CN109574002B - 一种提高石墨电极材料性能的方法和设备 - Google Patents
一种提高石墨电极材料性能的方法和设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种提高石墨电极材料性能的方法，包括：载气携带待处理的石墨电极材料穿过电弧等离子体后，冷却、过滤、收集得到处理后的石墨电极材料。上述方法利用电弧等离子体降低石墨电极材料中较高的挥发分含量，提高其比表面积和石墨化程度，优化产品性能。本发明还公开了一种使用上述方法的设备，包括依次连接的反应腔、冷却腔和过滤器，反应腔设有电弧等离子体发生器，冷却腔设有循环冷凝水，过滤器捕集处理后的石墨电极材料。上述设备所用的部件常规易得，装配简单，便于操作，可实现石墨电极材料的高效分离和收集。
Description
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种提高石墨电极材料性能的方法和设备。
背景技术
石墨电极材料主要应用于炼钢电弧炉、锂电池等领域，一般具有如下特点：
(1)耐高温：随着温度的升高，强度有所提升；
(2)稳定性好：适应极冷、极热条件，不会产生裂纹；
(3)导热性能特殊：特定温度范围，通常为800～1300℃，导热性能有所下降；
(4)化学稳定性好：高温下抗盐类腐蚀能力强。
石墨电极是以石油焦、针状焦为原料，煤沥青作为粘合剂，经原料煅烧、破碎磨粉、配料、混捏、成型、焙烧、浸渍以及石墨化等步骤制成的一种耐高温石墨质导电材料。按上述工艺生产的石墨电极材料，以重量百分比计，约含90％以上的固定碳、1％以下的灰分、1％左右的水分以及6％～8％的挥发分。
上述工艺主要存在以下缺点及不足：
(1)生产周期长：普通功率石墨电极材料生产周期约40天，超高功率石墨电极材料的生产周期约70天，特种功能石墨电极材料所需生产周期则更长；
(2)能源消耗较高：一吨普通功率石墨电极材料的电成本约为6000kW·h，消耗煤气或天然气数千立方，冶金焦粉约1吨；
(3)生产工序复杂：工序繁多，且需要专用机械设备及窑炉；
(4)生产过程产生污染：主要是粉尘及有害气体，需配备完善的通风降尘及有害气体处理设施；
(5)原料来源不稳定：石油焦、煤沥青等主要是炼油企业、煤化工企业的副产品，其成分稳定性及质量保障度不高；
(6)产品中挥发分含量较高：6～8％的挥发分含量对石墨电极材料的强度、导电性能等仍有不良影响。
因此，降低石墨电极材料的挥发分含量，提高石墨电极材料的性能，对于石墨电极材料在炼钢电弧炉、锂电池等领域的应用具有重要意义。
公开号为CN108201868A的专利说明书公开了一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，采用空心阴极，阴极空心通道用来输送煤粉等物料，阴极和阳极都设置磁旋转线圈，工作时，在阴极和阳极之间产生电弧，在磁旋转线圈产生磁场作用下高速旋转，煤粉由阴极空心通道通入，在高旋转速等离子体弧离心力作用下，煤粉在下行过程中与高温流体混合和反应。上述采用磁旋转弧等离子体的方法可以充分利用等离子体炬弧中心区域的高温来裂解煤粉，实现煤粉高效转化，且不会产生结焦现象。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种提高石墨电极材料性能的方法，利用电弧等离子体降低石墨电极材料中较高的挥发分含量，提高其比表面积和石墨化程度，优化产品性能。
一种提高石墨电极材料性能的方法，包括：载气携带待处理的石墨电极材料穿过电弧等离子体后，冷却、过滤、收集得到处理后的石墨电极材料。
所述的电弧等离子体可以为V型电弧等离子体、旋转弧等离子体或转移弧等离子体。
其中，旋转弧电弧旋转速度快，高温区域由普通线型弧的一条线变为一个弧面，物料可以直接穿过这个电弧面，热量利用效率极高，效率远高于普通等离子体。
旋转弧等离子体具有极高温度和高活性，其中的物质处于电离状态，高活性自由基数量多。载气携带待处理的石墨电极材料直接穿过电弧形成的高温区域，电热转化效率及热能利用效率较普通加热方法高。
所述的载气可以是还原性气体、保护性气体、氧化性气体或修饰性气体中的一种或多种。
所述的还原性气体包括氢气，保护性气体包括氩气和氦气，氧化性气体包括氧气、二氧化碳和空气，修饰性气体包括氮气、氨气和甲烷、乙烯等烃类气体。
所述的载气的流量可以为0.1～5000Nm3/h，待处理的石墨电极材料的进料速率可以为0.1～10000kg/h，具体可根据设备确定。
所述的载气和待处理的石墨电极材料在电弧等离子体中的停留时间非常短，可以为1～10ms，效率极高，适于工艺的连续运行。
所述的电弧等离子体的温度至少为1700K，高于普通烧结等方法的温度。
优选地，按重量百分比计，所述的待处理的石墨电极材料中挥发分含量不高于15％，处理后的石墨电极材料中挥发分含量不高于5％。
所述的待处理的石墨电极材料中，按重量百分比计，固定碳含量可以为85％～95％。
本发明还提供了一种使用所述的提高石墨电极材料性能的方法的设备，包括依次连接的反应腔、冷却腔和过滤器，反应腔设有电弧等离子体发生器，冷却腔设有循环冷凝水，过滤器捕集处理后的石墨电极材料。
所述的设备所用的部件常规易得，装配简单，便于操作，可实现石墨电极材料的高效分离和收集。
所述的电弧等离子体发生器可以是V型弧等离子体发生器、旋转弧等离子体发生器或转移弧等离子体发生器。
所述的旋转弧等离子体发生器包括阴极、阳极、励磁线圈和等离子体电源，阴极设于阳极内侧，连接等离子体电源负极，阳极连接等离子体电源正极，励磁线圈设于阳极外侧，励磁线圈通有直流电产生磁场，等离子体电源通电后，阴极和阳极之间形成电弧，电弧在磁场作用下旋转形成电弧面，产生磁旋转弧等离子体。
优选地，所述的电弧等离子体发生器的运行功率为10～10000kW，电流为80～4000A，电压为30～5000V。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
(1)石墨电极材料的表面形态在等离子体内高能粒子的轰击下发生明显变化，比表面积大大提升。
(2)石墨电极材料内经传统工艺处理后仍残留的挥发分在等离子体极高温度和极高反应活性下被除去一大部分，挥发分含量明显降低。
(3)石墨电极材料内的石墨化结构经等离子体处理后明显改善，石墨化程度显著提升。
(4)本发明提出的使用所述的提高石墨电极材料性能的方法的设备具有外加稳定磁场，使电弧高速旋转，形成高温区域。
附图说明
图1为实施例1的磁旋转弧等离子设备；
图2为实施例2的转移弧等离子设备；
图3为实施例3的V型弧等离子设备；
图4为实施例1的处理前的石墨电极材料的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图5为实施例1的处理后的石墨电极材料的SEM照片；
图6为实施例2的处理前的石墨电极材料的X射线衍射(XRD)图；
图7为实施例2的处理后的石墨电极材料的XRD图；
图8为实施例3的处理前的石墨电极材料的XRD图；
图9为实施例3的处理后的石墨电极材料的XRD图；
图中：1-阴极；2-阳极；3-励磁线圈；4-冷却腔；5-过滤器；6-尾气排放系统；7-绝缘垫；8-进料口；9-启弧口。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
本实施例采用如图1所示的磁旋转弧等离子设备，产生磁旋转弧等离子体，并利用磁旋转弧等离子体提高石墨电极材料性能。
如图1所示的磁旋转弧等离子设备包括依次连接的反应腔、冷却腔4、过滤器5和尾气排放系统6，反应腔设有磁旋转弧等离子体发生器，冷却腔4设有循环冷凝水，过滤器5捕集处理后的石墨电极材料。
磁旋转弧等离子体发生器包括阴极1、阳极2和励磁线圈3。磁旋转弧等离子体发生器的顶部设有绝缘垫7。
上述磁旋转弧等离子设备的工作流程包括：气体自进料口8进入反应腔，经短路启弧后，电压击穿气体在阴极1与阳极2之间形成电弧，励磁线圈3通入直流电产生磁场，电弧在磁场洛伦兹力作用下高速旋转，形成电弧面，气体穿过电弧后被击穿形成等离子态射流；随后通入待处理的石墨电极材料固体粉料，粉料随气体穿过射流区域，在电弧高温、高焓及高能活性粒子冲击下发生反应，随后经冷却腔4降温后，进入过滤器5，气体通过过滤器孔进入尾气排放系统6，处理后的石墨电极材料则停留在过滤器5内，收集即得到处理后的石墨电极材料。
上述磁旋转弧等离子设备提高石墨电极材料性能的具体操作步骤包括：
通入氮气，流量约1Nm3/h对磁旋转弧等离子设备内气体进行置换，约2分钟，使磁旋转弧等离子设备内充满氮气。
接通等离子体直流电源，打开励磁线圈电源，启弧。
等离子电弧电流80A，电压120V。
开启氢气，流量为3Nm3/h，通入磁旋转弧等离子设备内，随后关闭氮气，运行1分钟，使磁旋转弧等离子设备内气体置换为氢气。
等离子电弧电流80A，电压240V。
开启固体物料送料装置，使待处理的石墨电极材料进入磁旋转弧等离子设备内，进料速率约为5g/min。
5分钟后，关闭物料输送装置。
关闭等离子体直流电源。
打开氮气，关闭氢气，对磁旋转弧等离子设备内气体进行置换。
2分钟后关闭氮气。
收集处理后的石墨电极材料。
本实施例的石墨电极材料在处理前后的分析结果如表1所示，可以看到，处理后的石墨电极材料的挥发分含量明显降低，性能得到明显改善。
如图4所示，本实施例的处理前的石墨电极材料颗粒表面光滑致密，基本无吸附能力。
如图5所示，本实施例的处理后的石墨电极材料颗粒经等离子体轰击后，表面出现密集纹路，呈果核状，比表面积得到明显改善。
表1实施例1的石墨电极材料在处理前后的工业分析数据
注：Mad为空气干燥基水分，Aad为空气干燥基灰分，Vad空气干燥基挥发分。
实施例2
本实施例采用如图2所示的转移弧等离子设备，产生直流电弧等离子体，并利用电弧等离子体提高石墨电极材料性能。
如图2所示的转移弧等离子设备包括依次连接的反应腔、冷却腔4、过滤器5和尾气排放系统6，反应腔设有线型弧等离子体发生器，冷却腔4设有循环冷凝水，过滤器5捕集处理后的石墨电极材料。
线型弧等离子体发生器包括阴极1、阳极2和启弧口3。
上述线型弧等离子设备的工作流程包括：气体自进料口8进入反应腔，经短路启弧后，电压击穿气体在阴极1与阳极2之间形成电弧，气体穿过电弧后被击穿形成等离子态射流；随后通入待处理的石墨电极材料固体粉料，电弧转移到阴极与石墨电极材料之间，电弧弧根落于石墨电极材料上，石墨电极材料在电弧高温、高焓及高能活性粒子冲击下发生反应，随后经冷却腔4降温后，进入过滤器5，气体通过过滤器孔进入尾气排放系统6，处理后的石墨电极材料则停留在过滤器5内，收集即得到处理后的石墨电极材料。
上述转移弧等离子设备提高石墨电极材料性能的具体操作步骤包括：
通入氮气，流量为1Nm3/h，对转移弧等离子设备内气体进行置换，约2分钟，使转移弧等离子设备内充满氮气。
接通等离子体直流电源，启弧。
等离子电弧电流80A，电压120V。
开启固体物料送料装置，使待处理的石墨电极材料进入转移弧等离子设备内，进料速率约为10g/min。
5分钟后，关闭物料输送装置。
关闭等离子体直流电源。
2分钟后关闭氮气。
收集处理后的石墨电极材料。
本实施例的石墨电极材料在处理前后的分析结果如表2所示，可以看到，处理后的石墨电极材料的挥发分含量明显降低，性能得到明显改善。
本实施例的处理前的石墨电极材料的XRD图如图6所示，石墨化程度为-23.85％。
本实施例的处理后的石墨电极材料的XRD图如图7所示，石墨化程度为70.67％。
表2实施例2的石墨电极材料在处理前后的工业分析数据
注：Mad为空气干燥基水分，Aad为空气干燥基灰分，Vad空气干燥基挥发分。
实施例3
本实施例采用如图3所示的V型弧等离子设备，产生V型弧等离子体，并利用V型弧等离子体提高石墨电极材料性能。
如图3所示的V型弧等离子设备包括依次连接的反应腔、冷却腔4、过滤器5和尾气排放系统6，反应腔设有V型弧等离子体发生器，冷却腔4设有循环冷凝水，过滤器5捕集处理后的石墨电极材料。
V型弧等离子体发生器包括阴极1、阳极2和启弧口3。阴极1、阳极2分别带有绝缘垫7。
上述V型弧等离子设备的工作流程包括：气体自进料口8进入反应腔，经短路启弧后，电压击穿气体在阴极1与阳极2之间形成V型电弧，气体穿过电弧后被击穿形成等离子态射流；随后通入待处理的石墨电极材料固体粉料，粉料随气体穿过射流区域，在电弧高温、高焓及高能活性粒子冲击下发生反应，随后经冷却腔4降温后，进入过滤器5，气体通过过滤器孔进入尾气排放系统6，处理后的石墨电极材料则停留在过滤器5内，收集即得到处理后的石墨电极材料。
上述V型弧等离子设备提高石墨电极材料性能的具体操作步骤包括：
通入氮气，流量为1Nm3/h，对V型弧等离子设备内气体进行置换，约2分钟，使V型弧等离子设备内充满氮气。
接通等离子体直流电源，启弧。
等离子电弧电流80A，电压120V。
开启氢气，流量为3Nm3/h，通入V型弧等离子设备内，随后关闭氮气，运行1分钟，使V型弧等离子设备内气体置换为氢气。
通入二氧化碳，流量为0.5Nm3/h。
开启固体物料送料装置，使待处理的石墨电极材料进入V型弧等离子设备内，进料速率约为10g/min。
5分钟后，关闭物料输送装置。
关闭等离子体直流电源。
打开氮气，关闭氢气，对V型弧等离子设备内气体进行置换。
2分钟后关闭氮气。
收集处理后的石墨电极材料。
本实施例的处理前的石墨电极材料的XRD图如图8所示，石墨化程度为17.22％。
本实施例的处理后的石墨电极材料的XRD图如图9所示，石墨化程度为47.10％。
实施例4
采用如图1所示的大规模磁旋转弧等离子设备提高石墨电极材料性能，具体操作步骤包括：
通入氮气，流量为500Nm3/h，对磁旋转弧等离子设备内气体进行置换，约2分钟，使磁旋转弧等离子设备内充满氮气。
接通等离子体直流电源，打开励磁线圈电源，启弧。
等离子电弧电流3000A，电压1000V。
开启氢气，流量为5000Nm3/h，通入磁旋转弧等离子设备内，随后关闭氮气，运行1分钟，使磁旋转弧等离子设备内气体置换为氢气。
开启固体物料送料装置，使待处理的石墨电极材料进入磁旋转弧等离子设备内，进料速率约为5000kg/h。
30分钟后，关闭物料输送装置。
关闭等离子体直流电源。
打开氮气，关闭氢气，对磁旋转弧等离子设备内气体进行置换。
2分钟后关闭氮气。
收集处理后的石墨电极材料。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (5)
1.一种提高石墨电极材料性能的方法，包括：载气携带待处理的石墨电极材料穿过电弧等离子体后，冷却、过滤、收集得到处理后的石墨电极材料；所述的载气和待处理的石墨电极材料在电弧等离子体中的停留时间为1～10ms；按重量百分比计，处理后的石墨电极材料中挥发分含量不高于5％；
所述的电弧等离子体的温度至少为1700K；
采用的设备包括依次连接的反应腔、冷却腔和过滤器，反应腔设有电弧等离子体发生器，冷却腔设有循环冷凝水，过滤器捕集处理后的石墨电极材料；
所述的电弧等离子体发生器的运行功率为10～10000kW，电流为80～4000A，电压为30～5000V。
2.根据权利要求1所述的提高石墨电极材料性能的方法，其特征在于，所述的载气包括氢气、氩气、氦气、氧气、二氧化碳、空气、氮气、氨气或烃类气体中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的提高石墨电极材料性能的方法，其特征在于，所述的载气的流量为0.1～5000Nm3/h，待处理的石墨电极材料的进料速率为0.1～10000kg/h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的电弧等离子体发生器为V型弧等离子体发生器、旋转弧等离子体发生器或转移弧等离子体发生器。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的旋转弧等离子体发生器包括阴极、阳极、励磁线圈和等离子体电源，阴极设于阳极内侧，连接等离子体电源负极，阳极连接等离子体电源正极，励磁线圈设于阳极外侧，励磁线圈通有直流电产生磁场，等离子体电源通电后，阴极和阳极之间形成电弧，电弧在磁场作用下旋转形成电弧面，产生磁旋转弧等离子体。
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