CN109847896A - 利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.将废弃石墨电极完全浸没在双氧水溶液中，浸泡一段时间；步骤2.利用聚焦的光束对废弃石墨电极进行光热快速升温；步骤3.对光热升温后的废弃石墨电极进行喷水快速冷却；步骤4.将冷却后的废弃石墨整体放置在破碎装置上进行整体破碎。本方法利用水分子和双氧水分子在快速升温过程中的快速气化膨胀分解和与石墨少量的反应，破坏废弃石墨电极内部的理化结构，再利用喷水快速冷却的方法，进一步扩大废弃石墨电极理化结构的破坏程度，造成更多的裂隙，从而实现在较低压力下石墨电极的一次性整体破碎。

Description

利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法

技术领域

本发明属于废弃石墨电极回收领域，具体涉及一种利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法。

技术背景

2016年4季度开始，随着钢铁行业供给侧改革政策推进，打击地条钢跃然成为淘汰落后产能重中之重。2017年1月10日，发改委副主任在中钢协2017理事会议上表示，2017年6月30日前全部清除地条钢。截至2017年3月16日，据卓创资讯统计，我国39％中频炉已经拆除。

与电弧炉冶炼相似，地条钢对应的中频炉冶炼工艺同样以废钢为主要原料，2016年，中频炉消耗废钢量约7136万吨，占比废钢总需求的47％。

随着中频炉产能不断关停，废钢需求遭受抑制。考虑到转炉提高废钢比后，测算出每年仍有约1842万吨废钢供给相对过剩，由此促成了2016年4季度以来的废钢价格势弱局面，从而为电弧炉重启创造了市场条件。其中，2017年4月份，电弧炉炼钢相比转炉的成本优势一度扩大至500元以上，电弧炉因阶段性成本优势而部分替代转炉充当增量供给趋势明显。随着长短流程炼钢成本接近、电弧炉开工率提高，石墨电极的价格也开始发生变化，作为电弧炉炼钢耗材，电弧炉开工率不断提升，自然带来石墨电极需求增长。

石墨电极的加工工艺流程繁多，据经验统计，超高功率石墨电极生产要依次经历的流程和相应时间为：电极压型(3天)——焙烧(25天)——浸渍(4天)——再焙烧(15天)——石墨化(15天)——机加工、质检(2天)——成品包装发货(1天)，这意味着一批超高功率石墨电极从投料到产品出货，不停顿生产最快产出周期也要65天，而一般正常生产周期为90天左右，原材料需求量大，而且在实际生产中，也会有一部分浪费，比如说，生产过程中，毛坯断裂，又或者说，理化指标不达标，这样生产的石墨电极都不会放入合格产品中，造成浪费。再有就是钢厂使用石墨电极进行冶炼，有掉炉或严重氧化的现象，这样，石墨电极就无法继续使用，成为了废料。

回收起来的各种石墨碎再利用制作石墨电极，增碳剂，炼钢多用处，是对废弃资源的一种高效利用，也可以很大程度上降低了石墨电极的制造成本和环保压力。

一般的废弃石墨回收工艺中第一步就是破碎，将成型的石墨电极进行初步的破碎从而形成更好加工利用的石墨碎，第二步工艺为煅烧石墨碎，炭质原料在高温下进行热处理，排出所含的水分和挥发份，并相应提高原料理化性能的生产工序称为煅烧。一般炭质原料采用燃气及自身挥发份作为热源进行煅烧，最高温度为1250-1350℃。

然而，石墨电极成型时即采用数百吨的重型压力机械，成型后的石墨电极具有非常好的机械强度和理化性能，很大程度上满足了工业生产的需要，却也给废弃石墨电极的回收利用带来了非常大的困难。目前工业上回收的废弃石墨电极通常采用人工锤砸成块状，再经过机械重锤破碎形成石墨碎，整个过程劳动强度大、设备成本高、处理速度慢、环境影响大、材料利用率低(60％左右)，严重阻碍了废弃石墨电极的回收利用。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法，通过光热快速升温的预处理可以实现较低压力下石墨电极的一次性整体破碎。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.将废弃石墨电极完全浸没在双氧水溶液中，浸泡一段时间；步骤2.利用聚焦的光束对废弃石墨电极进行光热快速升温；步骤3.对光热升温后的废弃石墨电极进行喷水快速冷却；步骤4.将冷却后的废弃石墨整体放置在破碎装置上进行整体破碎。

本方案的有益效果是：采用双氧水溶液对废弃石墨电极进行浸泡，一方面能够去除废弃石墨电极表面杂质或污染物，另一方面也对石墨具有非常好的渗透性，能够使得水分子和过氧化氢分子快速渗透到废弃石墨电极内部，减少处理工序的时间，配合后续步骤达到非常好地理化结构破坏效果，同时双氧水价格低廉，没有明显的酸碱性，对设备和环境不存在威胁，在快速升温气化分解以及与石墨反应过程中也不会生成对环境有害的气体；采用聚光光热的加热方式不需要炉体，这样步骤1中浸入废弃石墨电极的水分和过氧化氢组分就能够有效地释放出来，从而降低热处理过程气体集中释放存在的安全风险；利用石墨电极非常好的辐射吸热性能，聚光的光热加热方式能够达到非常快的升温速率和较高的加热温度，从而使得渗入的水分子和过氧化氢分子快速气化膨胀分解并少量地与石墨反应，利用气体释放过程在废弃石墨电极内部形成沟道，进而达到破坏石墨电极理化特性的目的；喷水快速冷却的方式，价格低廉，冷却效果好，能够快速地将废弃石墨电极冷却，从而进一步扩大废弃石墨电极理化特性的破坏程度，造成更多的裂隙，进而降低废弃石墨电极破碎过程所需要的载荷；利用破碎装置将废弃石墨电极进行整体破碎，因为光热快速升温预处理的作用，破碎的载荷需求非常低，从而避免了现行工艺多次冲击载荷破碎过程的工艺复杂、振动大、噪声高、颗粒迸溅、耗能高效率低等问题，通过一次破碎即可达到废弃石墨电极的破碎要求。

优选地，本发明提供的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法还可以具有以下特征：在步骤1中，双氧水溶液浓度为5～20wt.％，浸泡时间为2小时以上。该优选特征的有益效果为：双氧水浓度保持在5wt.％以上就能够有效地增强在快速升温过程中废弃石墨电极理化特性的破坏强度，且经实验验证浓度越高破坏效果越显著，而双氧水浓度不超过20wt.％，一方面降低浸泡用双氧水价格，降低成本，另一方面也防止快速升温过程中过氧化氢分子快速气化膨胀分解的过程过于激烈，引起危险；经实验验证浸泡时间2小时以上废弃石墨电极整体过氧化氢浸入浓度能够达到较高水平。

优选地，本发明提供的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法还可以具有以下特征：在步骤2中，聚焦光束的聚光比为10～100，聚光光热升温速率为10～300℃/s，最高温度为400～1000℃。该优选特征的有益效果为：较快的升温速率可以减少废弃石墨电极暴露在空气中因与空气或浸入的水分和过氧化氢组分反应而形成的损耗，从而更好地保存石墨原料。

优选地，本发明提供的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法还可以具有以下特征：在步骤2中，聚焦光束的聚光比为60～90，局部升温速率为50～200℃/s，最高温度为600～800℃。该优选特征的有益效果为：一方面可以让聚光效果较好能够达到较高的温度和较快的升温速度，与此同时，聚光镜尺寸适中避免更高的承受风载能力的需求；另一方面可以确保双氧水溶液能够快速分阶或气化从而在石墨电极中形成孔隙；而且还能够让双氧水溶液有效地分解和气化，而石墨电极的石墨在此温度下反应不活跃，从而更多地保留石墨材料。

优选地，本发明提供的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法还可以具有以下特征：在步骤2中，聚焦光束的聚光比为80，局部升温速率为60℃/s，最高温度为700℃。在此条件下经济性较好且处理过程危险性较低。

优选地，本发明提供的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法还可以具有以下特征：在步骤2中，是将废弃石墨电极放置在槽式聚光器的焦点处，利用聚焦的太阳光进行光热快速升温；在步骤3中，先将废弃石墨电极移离槽式聚光器的焦点，再进行冷却。该优选特征的有益效果为：采用槽式聚光器对废弃石墨电极进行快速升温加热，能够很好地配合石墨电极棒状的结构，且无需外部热源，节约耗能也节省成本；并且，槽式聚光器聚光比大，空间布置简单，具有很好经济性的同时也能够满足高聚光比快速升温的需求。

优选地，本发明提供的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法还可以具有以下特征：在步骤3中，喷水冷却冷却水流量为50～200L/min，喷淋冷却水时间不低于3～10min。在该范围内能够有效地降低石墨电极的温度。

优选地，本发明提供的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法还可以具有以下特征：在步骤3中，喷水冷却冷却水流量为140～200L/min，喷淋冷却水时间为5～10min。该优选特征的有益效果为：通过冷却水的喷淋，能够快速将被加热的石墨电极冷却，并且水冷的方式资源丰富、价格低廉、冷却效果好，经实验验证冷却水流量达到140L/min时被加热的废弃石墨电极能够被有效地快速冷却，且石墨电极理化结构破坏效果有了进一步地提高，更加利于后续的破碎工艺；高温下石墨电极的反应性更强，快速水冷的方式也能够减少废弃石墨电极在冷却过程中的损耗，从而更好地保存石墨原料。

优选地，本发明提供的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法还可以具有以下特征：在执行步骤4之前，可将步骤1至步骤3重复执行N次，N≥1。这样可以有效降低废弃石墨电极破碎载荷的需求。

优选地，本发明提供的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法还可以具有以下特征：在执行步骤4之前，可将步骤1至步骤3重复执行1～2次。该优选特征的有益效果为：经实验验证经过一次步骤1～3的预处理，废弃石墨电极破碎载荷的需求即可将降低30％以上，再次经过相同预处理载荷降低效果会进一步下降，当预处理次数达到3次以上，重复预处理过程对废弃石墨电极破碎载荷的需求降低效果趋于不明显，而预处理过程的成本和处理过程中石墨材料的损耗将影响利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法的效率和收益，因此重复1～2次预处理过程能够进一步降低废弃石墨电极破碎载荷的需求。

具体实施方式

以下对本发明涉及的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

本实施例中，处理对象为直径30cm长度100cm的石墨电极棒；采用圣普太阳能槽式聚光器作为光热升温装置，开口宽度为5770mm(镜片反射率≥93.5％，折合聚光比约为78.6)；并采用山东翼起机械液压机作为破碎装置。

本实施例所提供的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法具体包括如下步骤：

步骤1.将石墨电极棒完全浸没在15wt.％的双氧水溶液中；

步骤2.将浸泡24小时后的石墨电极棒设置在槽式聚光器的焦点处，利用聚焦的太阳光对石墨电极棒进行快速升温处理，测得最快局部升温速率为54.2℃/s，照射时间为20min，最高局部温度为710℃；

步骤3.将石墨电极棒移离槽式聚光器的焦点，采用150L/min常温水对光热升温后的石墨电极棒进行喷淋冷却，喷淋时长5min，冷却到室温；

步骤4.将冷却后的石墨电极棒放置在液压破碎装置上进行整体破碎。

进一步可在执行步骤4之前，将步骤1至3重复执行数次，以降低破碎载荷。如下表1所示，本实施例中，在执行步骤4之前，未经上述步骤1至3处理的样品，破碎最大压力高达152.63KN；经步骤1至3处理一次后，破碎最大压力减小至101.57KN；重复执行一次步骤1至3(即处理两次，2次循环试样)，破碎最大压力进一步减小至78.91KN；随着重复执行次数增多，破碎所需最大压力越来越小。因此，可以根据实际情况来调整步骤1至3的重复次数。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.将废弃石墨电极完全浸没在双氧水溶液中，浸泡一段时间；

步骤2.利用聚焦的光束对废弃石墨电极进行光热快速升温；

步骤3.对光热升温后的废弃石墨电极进行喷水快速冷却；

步骤4.将冷却后的废弃石墨整体放置在破碎装置上进行整体破碎。

2.根据权利要求1所述的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法，其特征在于：

其中，在步骤1中，双氧水溶液浓度为5～20wt.％，浸泡时间为2小时以上。

3.根据权利要求1所述的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法，其特征在于：

其中，在步骤2中，聚焦光束的聚光比为10～100，聚光光热升温速率为10～300℃/s，最高温度为400～1000℃。

4.根据权利要求1所述的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法，其特征在于：

其中，在步骤2中，聚焦光束的聚光比为60～90，局部升温速率为50～200℃/s，最高温度为600～800℃。

5.根据权利要求1所述的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法，其特征在于：

其中，在步骤2中，聚焦光束的聚光比为80，局部升温速率为60℃/s，最高温度为700℃。

6.根据权利要求1所述的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法，其特征在于：

其中，在步骤2中，是将废弃石墨电极放置在槽式聚光器的焦点处，利用聚焦的太阳光进行光热快速升温；

在步骤3中，先将废弃石墨电极移离槽式聚光器的焦点，再进行冷却。

7.根据权利要求1所述的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法，其特征在于：

其中，在步骤3中，喷水冷却冷却水流量为50～200L/min，喷淋冷却水时间不低于3～10min。

8.根据权利要求1所述的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法，其特征在于：

其中，在步骤3中，喷水冷却冷却水流量为140～200L/min，喷淋冷却水时间为5～10min。

9.根据权利要求1所述的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法，其特征在于：

其中，在执行步骤4之前，可将步骤1至步骤3重复执行N次，N≥1。

10.根据权利要求6所述的利用光热快速升温预处理的废弃石墨电极破碎方法，其特征在于：

其中，N＝1或2。