浸漬-焙燒工藝對石墨性能的影響

吳仕喆

摘要：石墨屬于元素碳的一種同素異形體，其每個碳原子的周邊都連結(jié)著另外三個碳原子排列方式呈蜂巢式的多個六邊形并以共價鍵形式結(jié)合，共同構(gòu)成共價分子。隨著我國光伏、半導體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對等靜壓石墨材料的需求也快速增長，目前我國每年要從國外進口大約的等靜壓石墨坯料，而我國約消耗全球特種石墨產(chǎn)品的四分之一。基于此，文章就浸漬-焙燒工藝對石墨性能的影響進行簡要的分析。

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程當中，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行加熱處理，致使黏結(jié)劑轉(zhuǎn)變?yōu)榻固康倪^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渡層中，因此，當其被高溫轉(zhuǎn)化為焦炭之后，就會在半成品中構(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程中瀝青的變化所決定。

對于生產(chǎn)等靜壓石墨產(chǎn)品來說，一次浸漬后產(chǎn)品所擁有的性能是遠遠沒有達到等靜壓石墨產(chǎn)品所應該擁有的性能要求的，因此，為提高等靜壓石墨產(chǎn)品的各項性能指標，必須對浸漬后的制品反復幾次進行循環(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為是只針對瀝青的焙燒，而浸漬劑瀝青在二次或二次以上的焙燒時僅僅需要基本炭化即可，這個溫度并不需要很高，因此，在以提高工效和降低成本的角度為前提來進行思考，必須適當?shù)膩硇拚谝淮伪簾€。在保護氣體氬氣的氛圍下對浸漬瀝青做熱分析測試，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程中，主要是茹結(jié)劑的遷移和炭化以及生坯在焙燒過程中的物理化學所發(fā)生的變化。

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

2.實驗分析

2.1原料

試驗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)柯省⒘鲃有阅茌^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)進行焙燒，0～200℃升溫速度20℃/h；200～600℃升溫速度4℃/h；600℃時保溫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，隨后加入已預熱好的浸漬瀝青，將制品完全浸沒，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程中的主要參數(shù)溫度、壓力和時間，如表1所示。

3.試驗結(jié)果與討論

隨著體積增重的上升，開氣孔率呈下降趨勢，而密度和體積增重的數(shù)據(jù)變化趨勢相同，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℃的過程中，浸漬瀝青TG曲線迅速下降，同時出現(xiàn)約68%的質(zhì)量損失，說明在此溫度范圍內(nèi)瀝青反應劇烈。當溫度超過600℃后，浸漬瀝青TG曲線變化幅度減緩，說明瀝青炭化反應趨于平衡。

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。當徹底消除了制品焙燒時開裂、氧化等表觀缺陷時，經(jīng)過四次焙燒三次浸漬后的制品，其體積密度已經(jīng)達到了1.74g/cm3。顯氣孔率達到了9%均已完全達到焙燒后石墨制品進入石墨化爐的標準。

4.結(jié)論

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

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

通過本文的實驗機理分析以及制品的性能測定等作為依據(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實的基礎。但是相對于等靜壓石墨產(chǎn)品來說，想要真正的進行工業(yè)化生產(chǎn)，仍然還有很多的工作要做，所以還需要進一步的研究。

參考文獻：

[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，2014.