第五章-炭素材料的配料工艺-《炭素材料》教学课件

5.4 炭素制品的配方
5.4.1 制定配方的理论依据——球体最紧密堆积原理
等径圆球的最紧密堆积的空间利用率是74.05%，因此单一直径的球体不可能得 到致密的堆积体。在直径较大的球体堆积后的孔隙中加入一定数量的直径较小的 球，则堆积体的孔隙就会大大下降。实验证明，当堆积用球体超过四组时，孔隙 变化就不显著了，如用两组球配合，大球与小球直径的比值为7：3时，堆积最紧 密；如用三组球时，三种球的直径比值以7：1：2时堆积最紧密。
粘结剂的选择必须具备如下条件： （1）对炭质物料有很好的浸润性和粘结力， 这样才能保证糊料具有良好的可塑性。 （2）粘结剂应具有较高的含碳量和析焦率。 （3）粘结剂应为热塑性物质，常温下为固 体，稍加热熔化成液体，冷却后立即硬化。 （4）来源广，价格便宜。 各种炭素制品的物理化学性能，在一定程度 上取决于粘结剂的性质和粘结剂对骨料颗粒的 浸润、渗透和粘结力。目前国内外炭素制品生 产所用粘结剂主要是煤沥青。
可用于玻璃面液位计、水位机、结晶等的密封 部位。 可用于各种管道、阀门、压力泵容器、换热器、 冷凝器、塔、锅炉入孔、手孔等法兰连接等， 作为静密元件之用。 成型加工容易，安装使用方便，对操作工人健 康和环境污染均无影响。 可取代石棉胶垫片改变其高温老化、毛细渗漏； 代替缠绕垫片可克服其易散架、浪费大、取代 金属椭圆垫可改精度要求高，互换性差的不足， 确为垫片之佼佼者。
5.4 炭素制品的配方
5.4.1 制定配方的理论依据——球体最紧密堆积原理 5.4.2 实际配方中颗粒粒级配比及大颗粒尺寸的确定 5.4.3 工作配方的计算
炭素材料是由大小不同的焦（煤）、粉料加粘结剂混合而成的糊料，经成型、焙烧而 成的非均质、多孔隙的材料，颗粒大小的选择及合理配方对制品的体积密度等各种性 能有很大影响。煅后焦的振实密度、是否添加残极都会影响到配方组成。
不锈钢石墨缠绕垫片
石墨金属高强垫片
5.2.2 生产返回料的利用
在炭素制品生产过程中，不可避免要产生一定量的废Βιβλιοθήκη Baidu及加工碎屑，它 们经过适当处理后，可以作为原料使用，通称为生产返回料。
1）生碎：生碎是糊类成型后经质量检查不合格的生坯，也包括成型过程中掉落的糊渣和挤压 时的切头等。生碎一般加入到相同配方的产品中，加入量可占糊料量的25%左右，也可以将沥 青用量和粒度组成换算后加入到另一种配方的产品中，已沾污的生碎可用于生产电极糊等多灰 产品。生碎在使用前应破碎至20mm以下。 2）焙烧碎（熟碎）：焙烧碎是生坯焙烧后经检查不合格的废品以及焙烧品加工时回 收的切削碎屑。焙烧碎一般破碎成中等颗粒使用，不受产品品原配方的限制，只分多灰 焙烧碎和少灰焙烧碎两类。配方中加入焙烧碎有利于提高产品的机械强度。 3）石墨碎：石墨碎是石墨化后经检查不合格的废品以及石墨制品在加工过程中产 生的切削碎屑。产品配料中加入一定量的石墨碎可以改善糊料的塑性，减少糊料对挤 压嘴子的摩擦阻力，提高制品的密度和成品率。石墨碎一般在配方中可占5～15%， 一般均被破碎成各种粒度或磨粉使用。 4）残极和石墨化冶金焦
5.4.2 实际配方中颗粒粒级配比及大颗粒尺寸的确定
1）各种粒级在配方中的作用
炭和石墨制品的配料除选择原料配比外，还要确定粒度组成，即用不同尺寸的大颗粒、 中颗粒和小颗粒（细粉）配合起来使用，目的是使制品能有较高的堆积密度和较小的 气孔率。一般，大颗粒和细粉占较大的比例，而中间颗粒占较少比例。
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。
具体原则（5条）——第四条 炭电阻片、各种炭棒等小型炭素制品要 求较高的机械强度，选用沥青焦粉为主 要原料，用炭黑或石墨来调整电阻。
炭电阻片
炭棒
直流圆型镀铜炭棒
具体原则（5条）——第五条 金属-石墨制品的主要原料为铜粉、 铅粉、锡粉、银粉和鳞片石墨粉等， 含金属量在75%以内的制品要采用粘 结剂。
5.3 粘结剂的选择
5.3.1 粘结剂的作用及要求
在炭素生产中，都需要按规定的 比例往干料中加入一定量的粘结 剂。当加热混捏时，粘结剂能浸 润和渗透干料颗粒并把各种散料 颗粒粘结在一起，并填满散料颗 粒的开口气孔，形成质量均匀有 良好可塑性的糊料，以便在成型 时压制成具有一定形状的生制品。 另一方面，生制品在焙烧过程中， 由于粘结剂自身焦化生成粘结焦 把散料颗粒结合成一个坚固的整 体。
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。粉料一般 在配料中占40～70%。但粉料用量过多会走向反面，特别是在焙烧和石墨化热处理 中会产生大量裂纹废品，并且粉料增多导致粘结剂用量增大，反而会降低制品机械 强度和提高制品气孔率。
5.4.3 工作配方的计算
所谓工作配方，就是当规定了每一锅糊料的总重后，如何根据指定的配方以及各 种炭素原料在粉碎筛分后的实际粒度分布状况，进一步计算从每一种颗粒贮料斗 中应取数量。计算顺序如下： （1）从给定的原料比计算干料的百分组成。 （2）根据给定的对散料颗粒技术要求，计算各种原料颗粒级在干料中的百分组成。 根据技术要求，确定使用哪几种粒度级别。把决定使用的各粒度级别颗粒进行筛 分，求出各粒级的纯度。根据技术要求和筛分纯度计算出各粒级的颗粒用量，对 技术要求一般取其中限，计算结果取整数，并且要考虑各粒度间的影响。在计算 有技术要求的干料颗粒用量之和不足100%时，可用没有技术要求的中间粒度级的 颗粒来补足。 （3）确定了各干料颗粒的百分组成后，取样进行筛分分析或验算，检查结果是否 符合技术要求，若不符合，则要进行适当调整。 （4）根据每锅糊料的总重量，计算配料单中干料和沥青的用量。 （5）若糊料总重中要求配本身生碎，则应从总量中扣除生碎量，再计算各料斗应 称数量，若要求配入非本身生碎，应相应扣除粒度影响和沥青差值。
炭素原料被破碎后，其形状非常复杂，不是规则的球体，因此实际工作中还是采 用容重试验。用试验法选择各种粒度的比例时，首先用两种颗粒做实验，一般用 大颗粒和另外一种颗粒，以大颗粒料重量为100g，然后把它分别与0～100g的 第二种颗粒混合，取所得到的最大容重之混合物重量为100g，再与0～100g的 第三种颗粒混合，再选取容重最大的三种颗粒混合料，与第四种颗粒混合试验。 以此类推，直到得到容积比重最大的混合料为止，由此可以确定最佳的颗粒配方。
（2）产品的直径或 截面积大小：大颗粒 在制品中起骨架作用， 所以一般而言，产品 直径或截面积越大， 其配料中大颗粒的尺 寸也相应增大，以提 高产品的抗热震性和 减少产品的热膨胀系 数。 设制品的直径为A， 最大颗粒尺寸为D， 则有以下经验公式： D=7.510-3A。
（3）产品的用途：当产 品要求有较高的机械强度 和具有一定的电阻时，使 用的大颗粒尺寸要比经验 公式计算的小，而且细颗 粒料相对较多。
具体原则（5条）——第三条 电机用电刷的配方组成相当复杂， 高电压电机用电刷采用炭黑或炭黑 和沥青焦混合料为主要原料；中等 电压电机用电刷采用石油焦为主要 原料；低电压电机用电刷采用鳞片 石墨为主要原料。 关于电刷：在电机中的作用就是改变电流 方向（电流是通过碳刷输送到电机转子上 面的 ）!用在电动工具，电钻、电锤等。 电刷的材料大多由石墨制成（因为石墨有 良好的导电性，质地软而且耐磨、光滑、 不容易起电火花） ，为了增加导电性， 还有用含铜石墨制成。
少灰原料有石油焦、沥青焦和炭黑；在易石墨化性方面，石油焦大于沥青 焦，沥青焦大于炭黑；在机械强度方面，沥青焦大于石油焦。各种石墨制 品、阳极糊和预焙阳极都采用石油焦或加入25%左右的沥青焦为原料。
具体原则（5条）——第二条 对纯度要求不高的炭素制品，可选用无 烟煤和冶金焦等多灰原料作为主要原料。 这两种原料来源较广，且价格较便宜。 各种炭块和电极糊采用无烟煤为骨料， 与冶金焦粉料混合配料生产，有时为了 降低灰分和提高成品的导电性能也加入 少量石油焦、沥青焦和石墨碎等。
5.3.2 粘结剂对炭素骨料及制品的影响
1）原料颗粒对粘结剂的吸附性
固体炭素原料对粘结剂的吸附性与混捏时的粘结剂用量有直接关系。 吸附性大小主要取决于原料煅烧后的宏观结构性能，并和煅烧条件有一定 关系。如在氧化气氛中煅烧的原料，氧被吸附在极小的气孔和裂缝中，氧 化焦炭的孔壁，而使焦炭的组织结构变得疏松，因此，吸附性增加，同一 种原料不同粒度的吸附性也不一样，颗粒愈小，比表面积愈大，对粘结剂 的吸附性也愈大。
第五章 炭素材料的配料工艺
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5.1 固体原料组成的理论基础（自学） 5.2 原料的选择
5.2.1 炭素原料选择的基本原则 5.2.2 生产返回料的利用
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5. 3 粘结剂的选择
5.3.1 粘结剂的作用及要求 5.3.2 粘结剂对炭素骨料及制品的影响 5.3.3 粘结剂用量确定的一般规律
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2）配方中各种颗粒粒度配比的确定依据
2）最大颗粒尺寸的确定依据
（1）原材料的材质：各 种原料都含有气孔，包括 开气孔和闭气孔，有些原 料（如无烟煤）结构比较 致密，气孔少而且较小； 而有些原料（如石油焦和 沥青焦）气孔多而且大， 最大气孔直径可达5－ 6mm。因此使用石油焦和 沥青焦时，其最大颗粒尺 寸应在4mm以下，而使用 无烟煤时，则可使用6－ 12mm的颗粒。
2）粘结剂用量对生 制品及焙烧制品性能的 影响
每一种使用不同原料、 不同颗粒组成的配方的制 品有一个最佳的粘结剂比 例。粘结剂用量过多或过 少都会影响产品的物理化 学性能。首先表现在成型 工序，当粘结剂用量过少 时，糊料的塑性差，挤压 或模压成型时需提高成型 压力，而且产生裂纹废品 的可能性增加。粘结剂用 量较多时，糊料塑性好， 成型压力较低，成型的成 品率也高一些。但过多的 粘结剂会使生制品挤出或 脱模后容易变形。
不同粘结剂用量对制品体积密度的影响 1－生坯；2－石墨化制品；3－焙烧半成品；Q－小颗粒与球磨粉的比例
粘结剂用量过多或过少都会增加生制品在焙烧过程中的收缩，当粘结剂用量过 多时更为明显。如图所示。实验表面，各项理化指标最佳时的粘结剂用量在20 ％－22％之间。
粘结剂用量与生坯在焙烧时收缩的关系
5.3.3 粘结剂用量确定的一般规律
（1）产品配方的粒度组成 成品配方的粒度组成较粗，即粉 料用量较少，大颗粒用量较多，且 大颗粒尺寸较大时，粘结剂用量相 对减少。反之，粒度组成较细的配 方，粘结剂用量必须适当增加，所 以小规格制品要比大规格制品的粘 结剂用量多一些。 （2）物料颗粒性质 粘结剂用量和固体原料的颗粒表面性质有关，无烟 煤表面光滑，气孔较少，对粘结剂吸附性较差，所 以，采用无烟煤为主要原料的炭块、电极糊等制品 的粘结剂用量要少一些，石油焦、沥青焦等为多孔 结构，比表面积大，对粘结剂吸附性能大，所以用 石油焦或沥青焦为原料的制品在一般情况下粘结剂 用量要相对多些。
（3）成型方法 成型方法对粘结剂用量也有直接影响，挤压成型要求糊料塑性好，所以粘结剂用量应多 些，而振动成型或模压成型时，糊料塑性可以差一些，因此粘结剂用量可以相对少些。 粘结剂用量对生坯和焙烧制品质量有直接的影响。对于成型工序来说，粘结剂用量过少 则糊料的可塑性差，成型时需要相应提高压力，导致产生裂纹废品的可能性增加；粘结 剂用量较多时，虽然糊料塑性较好并且成型压力较低，成型成品率较高，但过量的粘结 剂会使生坯脱模后容易变形。粘结剂用量的多少直接影响着生坯在焙烧过程中的体积收 缩以及生坯内粘结剂的迁移，从而影响着焙烧废品的产生以及焙烧制品的性能。
5.2 原料的选择
5.2.1 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（5条） 第一条：对纯度要求较高的制品要选用灰分含量低的原料；对导电传热 和热稳定性要求较高的制品要选用易石墨化的原料；制品的机械强度要 求愈高，则所需原料的强度也要求愈高。