炭材料石墨化的應用探究

朱 峰

(鐵法煤業集團鐵強環保材料股份有限公司，遼寧 調兵山 112700)

1 新型炭材料發展背景

炭材料又稱炭素材料，包括以炭和石墨為原料生產的材料。炭材料分為普通炭材料和特種炭材料，從發展的時間上又分為傳統炭材料和新型炭材料。新型炭材料是通過應用新技術開發出來的具有超過傳統炭材料理化性能的新材料和以炭元素開發出來的新材料，以及炭材料與其它材料復合得到的新材料。近些年發展的新型炭材料種類很多，其中具有代表性的有炭纖維、等靜壓石墨、核石墨、鋰電池負極材料、柔性石墨、炭纖維復合材料、熱解石墨、石墨稀、高導熱石墨、熱解石墨、超高功率石墨電極等。新型炭材料具有耐高溫、高導電、低體密、高強度、各向異性和各項異性、耐腐蝕、自潤滑及優越的電子性能等特性，引起了世界各行業的高度重視，近幾年開發出了很多產品，越來越廣泛地應用于核電、汽車、航空航天、冶金、化工、機械、醫療、電子等行業，已成為現代化工業技術中不可缺少的一種非金屬材料。所以新型炭材料又被稱為“黑色的金子”，被公認為21世紀最有發展潛力的新材料之一。因此新型炭材料對于我國科技的進步和國民經濟的發展有重要意義。我國新型炭材料工業起步較晚，無論技術水平和產量與發達國家相比都有較大差距。所以新型炭材料產業已被列為國家重點發展的戰略性新興產業之一。

新型炭材料是工業部門及高科技領域中的重要原材料，具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、良導電性、性能穩定等特點。近年來，伴隨著科技進步，該材料以其優異的性能受到了越來越多人的青睞，廣泛應用于鋼鐵、冶金、機械、電機、化工、建材、電氣、電子、航空、航天、軍事以及核工業等領域。新型炭材料在太陽能光伏發電領域的應用主要集中在多晶硅原材料制造、單晶硅棒拉制以及多晶硅錠鑄造等環節，是太陽能光伏發電行業發展的產業基礎，兩者共生共榮。在太陽能光伏發電行業的推動下，國內外市場對新型炭材料制品的需求量逐年擴大，新型炭材料制品有著很好的發展前景和潛力。

近些年，我國新能源、新材料產業的發展得到高度重視，光伏產業和新能源電動汽車產業發展迅猛，導致優質新型炭材料需求增加，為新型炭材料的發展提供了廣闊空間。同時伴隨著我國經濟的快速發展和科技水平的提高，新型炭材料在軍工、飛機、汽車、高鐵、核工業、電子等工業領域的快速推廣應用，新型炭材料作為一種新興工業產品，迎來了新的發展機遇。另外隨著新型炭材料的技術進步和成本的降低，在民用產品領域也有著廣闊的市場空間。據不完全統計,目前國內市場每年新型炭材料需求量約10萬t，并以每年20%以上的速度增長，預計到2020年將達到60萬t以上，產值達到500億元～700億元。

遼寧省是優質人造石墨原材料的生產大省，撫順石化公司和葫蘆島石化公司生產的石油焦銷往全國各地。借助原材料優勢，近些年已形成了石墨電極產品、石墨原料加工、石墨電極加工為主的產業集群，以遼寧方大集團為代表的炭材料企業已達40多家。據行業統計2013年，炭材料制品產量已達150多萬t，年產值超過百億元，為遼寧地方經濟的發展做出了重要貢獻。但目前產品以低端、低附加值的產品為主，如何利用本地區優勢，提高技術水平、提高產品質量，提高企業競爭力成為行業發展必須解決的問題。該項目利用遼寧省原材料優勢，依托調兵山市煤炭電力和瓦斯燃氣能源優勢及沈陽理工大學炭材料科研和技術、人才優勢，充分整合優勢資源，發展新型炭材料產業。該項目的建設對于帶動遼寧省炭材料集群產業的發展和區域經濟建發展設具有深遠意義。它的建成對于我國新型炭材料行業的發展、戰略新興產業的發展和科技進步具有重要意義。不僅能為企業創造一定的經濟效益，同時也帶來可觀的社會效益。

2 項目建設基礎條件及建設規模

項目擬選址位于遼寧省調兵山市北工業園區，調兵山市位于遼寧省北部。地理位置在東經123°27'3至123°41'52，北緯42°20'31至42°33'19之間。東西寬20.6 km，南北長23.7 km，調兵山市東距鐵嶺市35 km，西距法庫縣城15 km，西北距康平縣城44 km，南距省城沈陽90 km，與京哈高速公路35 km，距沈陽桃仙機場只有110 km的距離，距大連港443.4 km，營口港300 km。交通便捷，環境質量良好，基礎設施條件齊備，建設條件良好。工業園區內已建有完善的公用工程設施，可滿足本項目的要求。

根據市場需求，可建設年產40 000 t新型炭材料生產線，總用地面積20 000 m3，建設石墨化車間、機加工車間、庫房以及研發建筑等共計12 694 m3。購置新型炭材料生產所需石墨化提純爐、機加工設備等生產設備24臺(套)，形成40 000 t新型炭材料的生產能力，同時建設供配電、給排水、消防等配套設施。

3 技術原理與工藝流程

石墨化是將經過800 ℃焙燒過的電極毛坯裝入內串石墨化爐中，周圍填充料(煅后石油焦)保溫并隔絕空氣。再通電加熱，將制品加熱到2 800 ℃～3 000 ℃，制品中在高溫隔絕氧氣狀態下，發生晶格轉變，由碳轉化成石墨的過程。

石墨化即將焙燒品通電使炭完成向石墨的轉變過程。機加工是為了便于電弧爐使用操作，加工符合用戶需求的產品。工藝流程圖如圖1。

圖1 石墨化工藝流程

4 工藝消耗定額

4.1 新型炭材料

新型炭材料的生產規模為40 000 t/a，所需主要原料如表1所示。

表1 主要原料

4.2 動力消耗定額

新型炭材料的生產規模為40 000 t/a，所需主要原料如表2所示。

表2 主要原料

5 項目能源消耗量

本項目擬建在調兵山市北工業園區，工業園區具有較為完善的公用工程設施，電可直接引入項目界區內，廢水可以排至工業園區內污水處理廠。

5.1 項目能源消耗種類

根據《綜合能耗計算通則》(GB/T2589-2008)，實際消耗的各種能源指：一次能源、二次能源和生產使用耗能工質所消耗的能源。本項目生產過程中實際消耗的能源品種有電力、水及采暖熱力如表3所示。

表3 項目能源消耗種類

5.2 項目能源消耗量(見表4)

表4 項目能源消耗量

5.3 項目節能措施

1) 采用先進加工制造工藝及合理地選用節能設備，使能源的消耗得到有效控制。石墨化工序采用國內領先的內串式石墨化設備。利用石墨化余熱加工半石墨化增碳劑。

2) 理順等各工序的工藝路線，合理布置車間設備、注重前后工序生產線路布局，減少工藝運行中的能耗損失。

3) 合理選用各通用設備及其驅動電機的控制方案。各生產環節、工序、設備之間做到生產能力的平衡，以減少某些設備的無負荷或低負荷運行，合理安排生產各工段的作業班次。

4) 工藝路線盡量縮短，無交叉無逆流，生產裝置按照工藝流程布置。

5) 生產線配備有先進的計算機系統，實現了生產過程自動化，并對生產過程科學管理及優化，以節省能耗。

6) 合理控制各臺大型非連續性生產設備的開停時間，以均衡各個時間段變壓器的負載，杜絕多臺同時開啟造成變壓器的過載。

6 項目風險分析

1) 本項目處于調兵山市北工業園區，所以本項目可以依托工業園區的發展和上游原材料生產企業建立緊密的供求關系，另外，本項目的主要原材料焙燒品由省內供應商生產，確保原材料可以持續供應。所以即使出現原材料市場價格上升的情況，也能有效控制對項目單位的影響，資源風險較小。

2) 本項目產品在國內、國外都是緊俏產品，但受經濟型式的影響，產品價格也會隨之波動，這對該項目的經濟效益會產生一定影響。

3) 近幾年來，國內外新建的裝置較多，且有繼續增加的趨勢，而且同行廠家生產技術升級和產品性能也不斷提高，雖然本項目所產產品處于供不應求的階段和時期，但市場經濟的運行機制將使產品競爭無界限，因此存在市場飽和等方面的競爭風險，這會對企業的持續發展造成一定的影響。本工程要充分發揮其生產工藝的技術優勢、成本優勢和價格優勢，提高產品的競爭力。以盡量化解潛在的市場風險。

7 結論

1) 項目建設符合國家產業政策及行業規劃要求，有利于推動區域戰略性新興產業的發展，為工業制造創新提供新動力，促進經濟快速增長和提升企業、地區競爭力，有利于東北老工業基地全面振興。

2) 項目總投資為5 131萬元，其中建設投資4 483.87萬元，流動資金647.1萬元。

3) 本項目具有良好的經濟效益，項目經營期平均年利潤總額為1 588.35萬元，稅后利潤為1 191.26萬元，所得稅397.09萬元。

4) 本項目建設起點高，生產工藝先進、可靠，為生產高質量產品提供了堅實保證。

5) 項目注重環保、安全設計，項目建成后對周邊生態環境無重大影響。

6) 本項目的建成能夠促進地方經濟發展，不會對行業產生壟斷，有利于推進當地的高端制造業發展。并能為當地提供就業機會，具有一定的社會效益，有利于社會的和諧發展。

本項目符合國家產業發展政策，符合國家、遼寧省及行業的規劃要求。本項目的實施市場發展前景良好，產品技術含量高，符合國家、遼寧省及行業相關政策、規劃要求，項目建設具有良好的經濟效益和社會效益。原料、燃料、能源供應有保障，能充分滿足生產需求，實施本項目對企業和國家的經濟發展具有積極意義，十分必要。