第六章混捏和成型工藝《炭素材料》教學課件

第六章炭素材料制備的混捏和成型工藝6.1概述6.2混捏6.2.1混捏基礎(chǔ)理論6.2.2混捏工藝6.2.3混捏設(shè)備6.2.4瀝青熔化、輸送和貯存設(shè)備6.3成型6.3.1成型方法概述6.3.2擠壓成型6.3.3振動成型6.1概述在混捏成型生產(chǎn)過程中，包括干料預(yù)熱、混捏、成型。干料預(yù)熱主要是提高混合料的溫度，以利于與瀝青的滲透和吸附，混捏是實現(xiàn)物料的均勻混合，并使瀝青均勻地附著在焦粒的表面，使之成為塑性良好的糊料。理論上混捏溫度應(yīng)高于瀝青軟化點60oC以上，實際生產(chǎn)上混捏溫度在160～180oC左右。由于我國改質(zhì)瀝青的粘度較高、對煅后焦的濕潤性差，為了保證混捏質(zhì)量，需提高糊料的混捏溫度，這對成型造成了較大的難度。因此優(yōu)化混捏、成型工藝條件也是保證陽極質(zhì)量的一個重要因素。

6.2混捏6.2.1混捏基礎(chǔ)理論炭素制品生產(chǎn)工藝中，經(jīng)過配料所得的各種炭素顆粒與粘結(jié)劑在一定溫度下攪拌、混合、捏合取得混合均勻的塑性糊料的工藝過程稱為混捏?；炷笫翘克刂破飞a(chǎn)的關(guān)鍵工序?；炷蟮哪康模?/p>

(1)使各種原料均勻混合，同時使各種不同大小的顆粒均勻地混合和填充，形成密實程度較高的混合料。(2)使干料和粘結(jié)劑混合均勻，液體粘結(jié)劑均勻分布在干料顆粒表面，靠粘結(jié)劑的粘和力把所有顆粒互相粘結(jié)起來，賦予物料以塑性，有利于成型。(3)使粘結(jié)劑部分滲透到干料顆粒的空隙中，進一步提高粘結(jié)劑和糊料的密實程度。炭素制品是由多組分（具有一定比例和粒度）組成的均一結(jié)構(gòu)體?；炷蠊に囘^程越完善，制品的結(jié)構(gòu)越均勻，性能越穩(wěn)定。混捏是炭素制品生產(chǎn)的一道重要工序。1）混捏的概念及目的2）固體顆粒與粘結(jié)劑的相互作用原理——混捏原理（1）吸附炭是一種親油憎水物質(zhì)。根據(jù)朗繆爾吸附理論，炭和非極性有機液體的粘合是焦炭表面上未飽和化學健力（又稱化學吸附力）作用的結(jié)果，被吸附物分子在固體表面形成一層單分子時，吸附就達到飽和，根據(jù)這一理論，焦炭表面只能吸附厚度為一個分子層的粘結(jié)劑。根據(jù)化學相似原理，相互接觸的物質(zhì)在化學性質(zhì)上越相似，相互間的作用就越強。這是范德華力在起作用的緣故，范德華力不同于化學吸附力，它沒有一定的方向，可吸附多層分子。焦炭和煤瀝青化學性質(zhì)不止相似，甚至相近，彼此間作用強，更加容易吸附，而且彼此之間能牢固地結(jié)合。（2）潤濕當固體炭素顆粒與液態(tài)粘結(jié)劑接觸時，由固液間分子引力使液相的粘結(jié)劑分子吸附在固體表面，并趨于有規(guī)律的排列，在炭素顆粒表面形成“彈性層”，而且當溫度足夠高時，粘結(jié)劑分子會從顆粒表面遷移到微孔中去，從而把固體顆粒潤濕。粘結(jié)劑對炭素骨料的潤濕性可以用潤濕角衡量。煤瀝青屬于弱極性物質(zhì)，在一定溫度下，對炭素原料的顆粒有較好的潤濕效果。炭素糊料的混捏質(zhì)量在很大程度上受瀝青和固體炭素顆粒潤濕效果的影響。如果固體炭素顆粒表面已吸附一定數(shù)量的水份，產(chǎn)生了強極性的吸附層，就會顯著降低瀝青對固體炭素顆粒的潤濕作用。潤濕作用的強弱由固相與液相接觸界面上的表面張力來決定，張力的大小可以用兩相潤濕接觸角θ來表示。θ為在固、液兩相接觸點對液滴作切線與固體材料平面之間的夾角。θ除與固、液相材料的性能有關(guān)外，主要受體系溫度影響很大。瀝青軟化點不同和加熱溫度不同時，潤濕接觸角在很大范圍內(nèi)變動。（3）滲透瀝青接觸固體炭素顆粒不僅有表面吸附和潤濕，還有毛細管滲透現(xiàn)象。一旦瀝青潤濕顆粒表面后，瀝青中的輕質(zhì)組分就開始滲透到顆粒表面的孔隙中去。瀝青之所以能在混捏時自發(fā)地滲透到骨料顆粒的孔隙中，是由于瀝青對顆粒表面的潤濕接觸角小于900時，將在顆粒的孔隙內(nèi)產(chǎn)生正的毛細管壓力引起的，毛細管壓力越大，滲透能力越強。瀝青的加熱溫度越高，其粘度越低，對顆粒的潤濕性越大，產(chǎn)生的毛細管壓力越大，瀝青愈容易滲透到顆粒的孔隙中去。因此，混捏溫度是混捏工藝生產(chǎn)中一項主要的參數(shù)。6.2.2混捏工藝炭素制品是由多組分（具有一定比例和粒度）組成的均一結(jié)構(gòu)體?；炷蠊に囘^程越完善，制品的結(jié)構(gòu)越均勻，性能越穩(wěn)定?；炷笫翘克刂破飞a(chǎn)的一道重要工序。1）混捏工藝概況及技術(shù)條件炭素制品生產(chǎn)中，已計量配合好的原料顆粒料投入混捏鍋內(nèi)，按規(guī)定的混捏制度加熱攪拌，鍋內(nèi)原料達到規(guī)定溫度時，加入溶化的瀝青，如果配料選用的是改質(zhì)或高溫瀝青，則可將固體瀝青與骨料、粉料同時配料加入混捏鍋內(nèi)加熱混捏。不同用途的制品，其粘結(jié)劑的軟化點有不同的要求，可以使用熱處理好的煤焦油在瀝青剛好軟化后調(diào)整降低軟化點?；炷笠欢〞r間，糊料達到出鍋溫度時排料進入下一工序。混捏的工藝技術(shù)條件主要是溫度和時間。（1）混捏溫度混捏過程的最佳溫度視粘結(jié)劑的軟化點而定。一般來說，混捏最終溫度應(yīng)該選定比粘結(jié)劑軟化點高出50－80℃，在此溫度下，瀝青具有較好的浸潤作用，因為溫度高，瀝青粘度小，流動性好，浸潤效果好，同時滲透到顆粒空隙中去；溫度不夠，瀝青粘度大，混捏時攪刀轉(zhuǎn)動負荷大，較難使鍋內(nèi)粉料和瀝青混捏攪拌均勻，糊料密實度差，糊料的塑性也差，用這樣的糊料壓制出來的生坯，體積密度小，焙燒后氣孔率大，因此在較低溫度下混捏是不允許的，如果溫度過高，瀝青受熱開始變化，部分輕質(zhì)組分逐漸分解揮發(fā)，并加強了瀝青中炭氫化合物的氧化作用，使糊料塑性變差，影響成型的成品率。

（2）混捏時間混捏時間的長短主要取決于混捏機的結(jié)構(gòu)性能、混合料中各組分的比例、各組分間密度的比值、混合物的密度、裝料量、粒度組成等因素?；炷笾贫鹊闹贫ǎ曰炷缶鶆?，制品性能穩(wěn)定為前提，糊料混捏時間過長，糊料塑性將會降低，成型困難，這是由于在混捏過程中，粘結(jié)劑的輕質(zhì)餾分揮發(fā)，部分有機物受到氧化，粘結(jié)劑的軟化點逐步提高，糊料變硬，并且糊料在混捏機內(nèi)停留時間愈長，溫度愈高，粘結(jié)劑的氧化程度就愈深；混捏時間過短，會使糊料達不到最佳的塑性狀態(tài)。當糊料未達到最佳塑性狀態(tài)時，攪刀負荷較大，且不均勻，可從攪刀電流表上看到指針擺動振幅較大。攪刀負荷降低，且電流表指針擺動振幅變小時，糊料的塑性趨于穩(wěn)定，也趨于最佳。溫度和時間是混捏制度的兩個主要參數(shù)，兩者相互制約，在實際操作中混捏時間在基本滿足混捏制度的前提下視混捏溫度做適當調(diào)整：①混捏溫度較低時，可適當延長混捏時間，混捏溫度較高時，可適當縮短混捏時間；②瀝青軟化點變化時，糊料的混捏溫度隨之相應(yīng)變化，因此應(yīng)適當改變混捏時間；③由于加熱條件變差，造成混捏溫度上不去時，應(yīng)適當延長混捏時間；④加入生碎時，應(yīng)根據(jù)加入生碎量適當延長混捏時間；⑤原料水份含量偏高時，應(yīng)在100－110℃保溫一段時間，讓原料中水份流動揮發(fā)，因此混捏時間也相應(yīng)延長。2）涼料

經(jīng)過混捏的糊料，一般溫度比較高（如鋁用炭素陽極糊料在170～180℃左右），并含有一定數(shù)量的煙氣。涼料的目的就是使糊料均勻地冷卻到一定的溫度，并充分排出夾在糊料中的煙氣，否則生坯中就會夾入煙氣而產(chǎn)生廢品。另外，涼料也使糊料塊度均勻，利于成型。糊料的粘結(jié)劑用量較大時，涼料時間應(yīng)該長些，在較低的溫度下才能加入壓機料室；而當糊料的粘結(jié)劑用量較小時，則涼料時間可短一些，糊料應(yīng)在較高的溫度下加入壓機料室。涼料溫度的高低和涼料的均勻與否，對壓型成品率有很大的影響。3）影響混捏質(zhì)量的因素（1）混捏溫度的影響混捏溫度過低，瀝青粘度就會增大，流動性變差，瀝青對干料的浸潤性不好，造成混捏不均，甚至夾干料，導致糊料塑性變差，不適宜于成型，造成生塊結(jié)構(gòu)不均、疏松。隨著溫度的升高，糊料塑性逐漸變好，但混捏溫度過高，瀝青發(fā)生氧化反應(yīng)，輕餾分分解揮發(fā)，糊料老化，俗稱發(fā)渣，也不利于混捏成型。（2）混捏時間的影響混捏時間過短，則糊料混捏不均，瀝青對干料浸潤滲透不夠，甚至會出現(xiàn)夾干現(xiàn)象，糊料塑性變差，適當延長混捏時間，可以使糊料混捏更均勻，糊料塑性變好。但混捏時間過長，對糊料的均勻程度提高甚微，反而使干料粒度組成發(fā)生變化（大顆粒遭到破碎），粘結(jié)劑氧化程度加深，混捏質(zhì)量變差。（3）粘結(jié)劑用量、性質(zhì)的影響粘結(jié)劑用量過少則糊料發(fā)干，干料顆粒表面不能形成均勻分布的瀝青薄膜，糊料塑性變差。隨著粘結(jié)劑用量增大，糊料的流動性變好，均勻性提高，糊料塑性變好。但粘結(jié)劑用量過多，則生塊容易彎曲變形，焙燒廢品率提高，制品的體積密度減少，氣孔率增大。（4）干料粒度及性質(zhì)的影響干料粒度組成相差越大，則混捏均勻性和密實性愈高。干料顆粒表面粗糙，氣孔多，則粘結(jié)劑能很好地粘附在顆粒表面，糊料塑性相對愈好。6.2.3混捏設(shè)備炭素制品生產(chǎn)使用的混捏設(shè)備應(yīng)滿足以下要求：①對不同粒度的顆粒料進行混合攪拌，并且攪拌越均勻越好；②既能干攪又能濕混（濕混又稱熱混）；③生產(chǎn)能力能滿足下工序需要。

混捏機按其運行方式不同大致分為三類：接力式混捏機：干混和濕混在不同設(shè)備內(nèi)進行。用于干混的設(shè)備有圓筒混合機、鼓形混合機、輥輾式混合機和滾筒式混合機等，主要用于電炭生產(chǎn)的冷混合。間歇式混捏機：干混和濕混在同一臺設(shè)備內(nèi)進行，即先干混，混后加入粘結(jié)劑進行濕混?；旌煤髮⒑吓懦觯缓笾匦录尤敫闪祥_始下一混捏周期。如單軸攪拌混捏機、臥式雙軸混捏機和逆流高速混捏機等，它們廣泛應(yīng)用于帶粘結(jié)劑糊料的熱混合。連續(xù)式混捏機：有雙軸連續(xù)混捏機和單軸連續(xù)混捏機，主要用于陽極糊和電極糊等糊類產(chǎn)品的混捏。1）臥式雙軸混捏機（1）結(jié)構(gòu)臥式雙軸混捏機（又稱雙軸攪拌混捏鍋）的結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要由鍋體，攪刀和減速傳動裝置構(gòu)成。鍋體的上部是立方體，下部有兩個半圓形長槽，兩半圓形槽的中間構(gòu)成一個縱向的脊背體。鍋體內(nèi)鑲錳鋼襯板，鍋體周圍是加熱夾套。鍋體頂部為鍋蓋，鍋蓋上有干料和粘結(jié)劑加入口以及煙氣排出口。鍋體內(nèi)有兩根平行的Z型攪刀，分別在鍋底的兩個半圓形槽內(nèi)，彼此相對轉(zhuǎn)動，而且轉(zhuǎn)速不一。攪刀通過減速箱與電動機相連。翻轉(zhuǎn)式混捏機設(shè)有鍋體翻轉(zhuǎn)機構(gòu)；底開式混捏機設(shè)有料口開啟和關(guān)閉裝置。臥式雙軸混捏機結(jié)構(gòu)示意圖1—電動機；2—對輪及抱閘；3—蝸輪翻鍋減速機；4—襯板；5—攪拌軸；6—加熱套；7—鍋體；8—齒輪；9—減速機；10—電動機（2）工作原理這種混捏機同時起著擠壓和分離兩種混捏作用。糊料在混捏機內(nèi)，由于兩根攪刀相向以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，不斷受到攪刀反復翻動和壓搓作用，進行擠壓混捏。當糊料被翻動到鍋底的脊背上時即被劈分成兩部分，當一部分糊料被脊背劈下而脫離原攪刀的作用后，則被另一根攪刀帶走，這時所進行的是分離混捏。兩攪刀不斷地轉(zhuǎn)動，這樣使糊料受到攪拌、擠壓、劈分和捏合，從而達到均勻混捏的目的。2）雙軸攪拌連續(xù)混捏機雙軸攪拌連續(xù)混捏機的結(jié)構(gòu)如圖所示，它是由U型或圓形殼體，攪拌軸，傳動系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)組成，殼體內(nèi)裝兩根攪拌軸，攪拌軸上安裝有若干片正向攪刀和反向攪刀。物料加入鍋內(nèi)，攪拌軸由電動機經(jīng)減速機帶動。正向攪刀的作用是一邊起攪拌作用，一邊迫使糊料向出料口方向移動；反向攪刀的作用是增加被混捏糊料內(nèi)部的擠壓力。正向攪刀數(shù)量比反向攪刀多。連續(xù)混捏機示意圖1—出料口轉(zhuǎn)輪；2—出料口活門；3—出料口；4—排煙口；5—瀝青下料口；6—干料下料口；7—軸承；8—齒輪；9—減速機；10—電動機；11，13—反向攪刀；12，14—正向攪刀；15—加熱裝置雙軸攪拌連續(xù)混捏機的優(yōu)點是機械化程度高，而且可以實現(xiàn)自動化和遙控操作，生產(chǎn)能力大，勞動條件好，但是只適用于大批量單一品種產(chǎn)品的生產(chǎn)，而不適用于經(jīng)常要變動配方、多品種產(chǎn)品的生產(chǎn)。6.3成型6.3.1成型方法概述成型是將混捏得到的糊料通過一定的成型方式，采用相應(yīng)的成型設(shè)備壓成具有規(guī)定形狀、尺寸和理化性能的生坯的工藝過程。成型工藝要達到兩個目的：一是使制品具有一定的形狀和規(guī)格；二是使制品密實，具有一定密度、強度。在炭素制品生產(chǎn)中，常用的成型方法有模壓法、擠壓法、振動成型法、等靜壓成型法。（1）模壓法模壓法是將一定數(shù)量的粉料裝入模具內(nèi)，從上、下部單向或雙向加壓，使之受壓成型。模壓法適用于壓制三個方向尺寸相差不大、密度均勻以及結(jié)構(gòu)致密的制品，但模壓法生產(chǎn)效率低。模壓法常用設(shè)備為立式液壓機。（2）擠壓法擠壓法是通過擠壓機對裝入料室的糊料施加壓力，糊料不斷密實和運動，最后通過擠壓嘴擠出所需形狀的制品。在炭素生產(chǎn)中擠壓法應(yīng)用最為廣泛，具有產(chǎn)品質(zhì)量均勻，生產(chǎn)量大，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，適合于生產(chǎn)長條形的棒狀或管狀制品。擠壓機可半連續(xù)生產(chǎn)，擠壓法常用設(shè)備有臥式液壓擠壓機（油壓或水壓）和螺旋擠壓機。擠壓成型示意圖1—柱塞；2—糊缸；3—糊料；4—擠壓嘴；5—壓出毛坯擠壓過程中，糊料顆粒間以及糊料和模壁間存在著內(nèi)、外摩擦力，這種摩擦力形成了堆擠壓力的反作用力，正是由于這種反作用力的存在使糊料壓實。內(nèi)摩擦力的大小取決于顆粒特性、粘結(jié)劑性質(zhì)和用量以及成型時的溫度等因素。外摩擦力的大小與模嘴的結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)，也與粘結(jié)劑的性質(zhì)、用量以及摩擦面的溫度有關(guān)。當模嘴結(jié)構(gòu)一定時，外摩擦系數(shù)與瀝青粘結(jié)劑的軟化點及糊料溫度之間的關(guān)系如圖所示。（3）振動成型法振動成型法是利用高速振動（頻率2000～3000次/min，振幅1～3min）的振動機組，使裝在成