吳仕喆

摘要：石墨屬于元素碳的一種同素異形體，其每個(gè)碳原子的周邊都連結(jié)著另外三個(gè)碳原子排列方式呈蜂巢式的多個(gè)六邊形并以共價(jià)鍵形式結(jié)合，共同構(gòu)成共價(jià)分子。隨著我國(guó)光伏、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)等靜壓石墨材料的需求也快速增長(zhǎng)，目前我國(guó)每年要從國(guó)外進(jìn)口大約的等靜壓石墨坯料，而我國(guó)約消耗全球特種石墨產(chǎn)品的四分之一?；诖耍恼戮徒n-焙燒工藝對(duì)石墨性能的影響進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

關(guān)鍵詞：浸漬-焙燒工藝；石墨；性能；影響

1.浸漬—焙燒工藝的概述

在等靜壓石墨的制備過(guò)程當(dāng)中，焙燒顧名思義是將壓型后的生坯置于隔絕空氣的條件下進(jìn)行加熱處理，致使黏結(jié)劑轉(zhuǎn)變?yōu)榻固康倪^(guò)程。生坯中所包含的瀝青被牢固的包裹在炭素顆粒之間的過(guò)渡層中，因此，當(dāng)其被高溫轉(zhuǎn)化為焦炭之后，就會(huì)在半成品中構(gòu)建成界面炭網(wǎng)格層，其具有塔橋、加固的作用。

焙燒成品性能的良好與否，在很大的程度上由焙燒過(guò)程中瀝青的變化所決定。

對(duì)于生產(chǎn)等靜壓石墨產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，一次浸漬后產(chǎn)品所擁有的性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到等靜壓石墨產(chǎn)品所應(yīng)該擁有的性能要求的，因此，為提高等靜壓石墨產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，必須對(duì)浸漬后的制品反復(fù)幾次進(jìn)行循環(huán)性的再焙燒與再浸漬。此種方法是目前為了提高等靜壓石墨產(chǎn)品的性能所采用的較為廣泛的一種方法。也叫多次浸漬一倍燒工藝。

由于二次和二次以上的焙燒可以被認(rèn)為是只針對(duì)瀝青的焙燒，而浸漬劑瀝青在二次或二次以上的焙燒時(shí)僅僅需要基本炭化即可，這個(gè)溫度并不需要很高，因此，在以提高工效和降低成本的角度為前提來(lái)進(jìn)行思考，必須適當(dāng)?shù)膩?lái)修正第一次焙燒曲線。在保護(hù)氣體氬氣的氛圍下對(duì)浸漬瀝青做熱分析測(cè)試，以便確定浸漬瀝青的焙燒工藝曲線。

冷等靜壓成型后的生坯在焙燒爐中的焙燒過(guò)程中，主要是茹結(jié)劑的遷移和炭化以及生坯在焙燒過(guò)程中的物理化學(xué)所發(fā)生的變化。

生坯加熱到200—250℃的時(shí)候，瀝青會(huì)逐漸的軟化，所以坯體將會(huì)變軟，體積增大，但是坯體的質(zhì)量卻并不會(huì)減少。在這個(gè)階段，對(duì)制品進(jìn)行繼續(xù)加熱，生坯中所存在的揮發(fā)份將會(huì)逐漸開始逸出。當(dāng)制品的溫度在400℃左右的時(shí)候，制品中瀝青的粘結(jié)能力將會(huì)降低。持續(xù)進(jìn)行升溫，當(dāng)制品的溫度在500-600℃的高溫階段時(shí)，硬結(jié)的想象幾乎己經(jīng)難以再出現(xiàn)。此時(shí)，制品的體積會(huì)有所收縮，其導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度將會(huì)增加。當(dāng)制品的溫度高于600℃的時(shí)候，此時(shí)，制品內(nèi)的揮發(fā)份已經(jīng)全部被排出。在這個(gè)階段，對(duì)制品再繼續(xù)進(jìn)行加熱，制品的導(dǎo)電性將會(huì)持續(xù)性的增強(qiáng)，

2.實(shí)驗(yàn)分析

2.1原料

試驗(yàn)用石墨冷等靜壓坯料為經(jīng)等靜壓成型焙燒后的圓柱體制品，規(guī)格Φ130mm×70mm，質(zhì)量1000g，密度1.47g/cm3。

浸漬劑為高殘?zhí)柯?、流?dòng)性能較好、黏度在150～200℃內(nèi)低于100mPa·s的中溫瀝青。

2.2一次焙燒

將生制品放入電阻爐內(nèi)進(jìn)行焙燒，0～200℃升溫速度20℃/h；200～600℃升溫速度4℃/h；600℃時(shí)保溫10h；600～1050℃升溫速度9℃/h；1050～500℃降溫速度15℃/h；500～100℃降溫速度20℃/h；約合10天的一次焙燒曲線。

2.3浸漬方法

將制品預(yù)加熱到200℃后放入浸漬罐內(nèi)密封，迅速抽真空至-0.08MPa保持120min，隨后加入已預(yù)熱好的浸漬瀝青，將制品完全浸沒(méi)，通入氬氣保壓30min后取出。

為了得到較好效果，利用正交方法確定浸漬過(guò)程中的主要參數(shù)溫度、壓力和時(shí)間，如表1所示。

3.試驗(yàn)結(jié)果與討論

隨著體積增重的上升，開氣孔率呈下降趨勢(shì)，而密度和體積增重的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同，這些關(guān)系均緣于其內(nèi)在定量關(guān)系，所以只選體積增重填入正交分析表2。

分析圖1得出，浸漬瀝青的熱性質(zhì)與冷等靜壓坯料相似，浸漬瀝青TG曲線在200℃之前基本上變化不大；在溫度升高到600℃的過(guò)程中，浸漬瀝青TG曲線迅速下降，同時(shí)出現(xiàn)約68%的質(zhì)量損失，說(shuō)明在此溫度范圍內(nèi)瀝青反應(yīng)劇烈。當(dāng)溫度超過(guò)600℃后，浸漬瀝青TG曲線變化幅度減緩，說(shuō)明瀝青炭化反應(yīng)趨于平衡。

綜上可知，隨著焙燒與浸漬工藝制度的不斷調(diào)整與優(yōu)化，制品焙燒前后的體積密度和顯氣孔率均有著較大程度的改善。當(dāng)徹底消除了制品焙燒時(shí)開裂、氧化等表觀缺陷時(shí)，經(jīng)過(guò)四次焙燒三次浸漬后的制品，其體積密度已經(jīng)達(dá)到了1.74g/cm3。顯氣孔率達(dá)到了9%均已完全達(dá)到焙燒后石墨制品進(jìn)入石墨化爐的標(biāo)準(zhǔn)。

4.結(jié)論

1）浸漬-焙燒工藝過(guò)程顯著影響著石墨產(chǎn)品性能，需要對(duì)浸漬工藝、焙燒溫度制度以及浸漬-焙燒集成工藝制度進(jìn)行優(yōu)化，才能獲得優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

2）本試驗(yàn)浸漬劑選用中溫瀝青，采用正交試驗(yàn)確定浸漬過(guò)程優(yōu)化參數(shù)為溫度200℃，壓力1.5MPa，維持反應(yīng)60min。

通過(guò)本文的實(shí)驗(yàn)機(jī)理分析以及制品的性能測(cè)定等作為依據(jù)，基本已經(jīng)可以確定較為合理的焙燒升溫工藝制度與多次浸漬焙燒的工藝制度，從而為等靜壓石墨的最終工序打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是相對(duì)于等靜壓石墨產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，想要真正的進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，仍然還有很多的工作要做，所以還需要進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]白家瑞.褐鐵型低品位紅土鎳礦還原焙燒—稀鹽酸浸漬工藝研究[D].天津大學(xué)，2014.