1、第六章 炭素材料制备的混捏和成型工艺,6.1 概述 6.2 混捏 6.2.1 混捏基础理论 6.2.2 混捏工艺 6.2.3 混捏设备 6.2.4 沥青熔化、输送和贮存设备,6.3 6.3.1 6.3.2 挤压成型 6.3.3 振动成型,6.1 概述,在混捏成型生产过程中，包括干料预热、混捏、成型。干料预热主要是提高混合料的温度，以利于与沥青的渗透和吸附，混捏是实现物料的均匀混合，并使沥青均匀地附着在焦粒的表面，使之成为塑性良好的糊料。理论上混捏温度应高于沥青软化点60C以上，实际生产上混捏温度在160180C左右。由于我国改质沥青的粘度较高、对煅后焦的湿润性差，为了保证混捏质量，需提高糊料的
2、混捏温度，这对成型造成了较大的难度。因此优化混捏、成型工艺条件也是保证阳极质量的一个重要因素。,6.2 混捏,6.2.1 混捏基础理论,炭素制品生产工艺中，经过配料所得的各种炭素颗粒与粘结剂在一定温度下搅拌、混合、捏合取得混合均匀的塑性糊料的工艺过程称为混捏。混捏是炭素制品生产的关键工序。,混捏的目的： (1)使各种原料均匀混合，同时使各种不同大小的颗粒均匀地混合和填充，形成密实程度较高的混合料。 (2)使干料和粘结剂混合均匀，液体粘结剂均匀分布在干料颗粒表面，靠粘结剂的粘和力把所有颗粒互相粘结起来，赋予物料以塑性，有利于成型。 (3)使粘结剂部分渗透到干料颗粒的空隙中，进一步提高粘结剂和糊料
3、的密实程度。,炭素制品是由多组分（具有一定比例和粒度）组成的均一结构体。混捏工艺过程越完善，制品的结构越均匀，性能越稳定。混捏是炭素制品生产的一道重要工序。,1）混捏的概念及目的,2）固体颗粒与粘结剂的相互作用原理混捏原理,（1）吸附 炭是一种亲油憎水物质。根据朗缪尔吸附理论，炭和非极性有机液体的粘合是焦炭表面上未饱和化学健力（又称化学吸附力）作用的结果，被吸附物分子在固体表面形成一层单分子时，吸附就达到饱和，根据这一理论，焦炭表面只能吸附厚度为一个分子层的粘结剂。 根据化学相似原理，相互接触的物质在化学性质上越相似，相互间的作用就越强。这是范德华力在起作用的缘故，范德华力不同于化学吸附力，它
4、没有一定的方向，可吸附多层分子。焦炭和煤沥青化学性质不止相似，甚至相近，彼此间作用强，更加容易吸附，而且彼此之间能牢固地结合。,（2）润湿 当固体炭素颗粒与液态粘结剂接触时，由固液间分子引力使液相的粘结剂分子吸附在固体表面，并趋于有规律的排列，在炭素颗粒表面形成“弹性层”，而且当温度足够高时，粘结剂分子会从颗粒表面迁移到微孔中去，从而把固体颗粒润湿。粘结剂对炭素骨料的润湿性可以用润湿角衡量。 煤沥青属于弱极性物质，在一定温度下，对炭素原料的颗粒有较好的润湿效果。炭素糊料的混捏质量在很大程度上受沥青和固体炭素颗粒润湿效果的影响。如果固体炭素颗粒表面已吸附一定数量的水份，产生了强极性的吸附层，就会
5、显著降低沥青对固体炭素颗粒的润湿作用。,润湿作用的强弱由固相与液相接触界面上的表面张力来决定，张力的大小可以用两相润湿接触角来表示。为在固、液两相接触点对液滴作切线与固体材料平面之间的夹角。除与固、液相材料的性能有关外，主要受体系温度影响很大。沥青软化点不同和加热温度不同时，润湿接触角在很大范围内变动。,（3）渗透 沥青接触固体炭素颗粒不仅有表面吸附和润湿，还有毛细管渗透现象。一旦沥青润湿颗粒表面后，沥青中的轻质组分就开始渗透到颗粒表面的孔隙中去。沥青之所以能在混捏时自发地渗透到骨料颗粒的孔隙中，是由于沥青对颗粒表面的润湿接触角小于900时，将在颗粒的孔隙内产生正的毛细管压力引起的，毛细管压力
6、越大，渗透能力越强。沥青的加热温度越高，其粘度越低，对颗粒的润湿性越大，产生的毛细管压力越大，沥青愈容易渗透到颗粒的孔隙中去。 因此，混捏温度是混捏工艺生产中一项主要的参数。,6.2.2 混捏工艺,炭素制品是由多组分（具有一定比例和粒度）组成的均一结构体。混捏工艺过程越完善，制品的结构越均匀，性能越稳定。混捏是炭素制品生产的一道重要工序。,1）混捏工艺概况及技术条件 炭素制品生产中，已计量配合好的原料颗粒料投入混捏锅内，按规定的混捏制度加热搅拌，锅内原料达到规定温度时，加入溶化的沥青，如果配料选用的是改质或高温沥青，则可将固体沥青与骨料、粉料同时配料加入混捏锅内加热混捏。不同用途的制品，其粘结
7、剂的软化点有不同的要求，可以使用热处理好的煤焦油在沥青刚好软化后调整降低软化点。混捏一定时间，糊料达到出锅温度时排料进入下一工序。,混捏的工艺技术条件主要是温度和时间。,（1）混捏温度,混捏过程的最佳温度视粘结剂的软化点而定。一般来说，混捏最终温度应该选定比粘结剂软化点高出5080，在此温度下，沥青具有较好的浸润作用，因为温度高，沥青粘度小，流动性好，浸润效果好，同时渗透到颗粒空隙中去；温度不够，沥青粘度大，混捏时搅刀转动负荷大，较难使锅内粉料和沥青混捏搅拌均匀，糊料密实度差，糊料的塑性也差，用这样的糊料压制出来的生坯，体积密度小，焙烧后气孔率大，因此在较低温度下混捏是不允许的，如果温度过高，
8、沥青受热开始变化，部分轻质组分逐渐分解挥发，并加强了沥青中炭氢化合物的氧化作用，使糊料塑性变差，影响成型的成品率。,（2）混捏时间,混捏时间的长短主要取决于混捏机的结构性能、混合料中各组分的比例、各组分间密度的比值、混合物的密度、装料量、粒度组成等因素。混捏制度的制定，均以混捏均匀，制品性能稳定为前提，糊料混捏时间过长，糊料塑性将会降低，成型困难，这是由于在混捏过程中，粘结剂的轻质馏分挥发，部分有机物受到氧化，粘结剂的软化点逐步提高，糊料变硬，并且糊料在混捏机内停留时间愈长，温度愈高，粘结剂的氧化程度就愈深；混捏时间过短，会使糊料达不到最佳的塑性状态。当糊料未达到最佳塑性状态时，搅刀负荷较大，
9、且不均匀，可从搅刀电流表上看到指针摆动振幅较大。搅刀负荷降低，且电流表指针摆动振幅变小时，糊料的塑性趋于稳定，也趋于最佳。,温度和时间是混捏制度的两个主要参数，两者相互制约，在实际操作中混捏时间在基本满足混捏制度的前提下视混捏温度做适当调整： 混捏温度较低时，可适当延长混捏时间，混捏温度较高时，可适当缩短混捏时间； 沥青软化点变化时，糊料的混捏温度随之相应变化，因此应适当改变混捏时间； 由于加热条件变差，造成混捏温度上不去时，应适当延长混捏时间； 加入生碎时，应根据加入生碎量适当延长混捏时间； 原料水份含量偏高时，应在100110保温一段时间，让原料中水份流动挥发，因此混捏时间也相应延长。,2
10、）凉料,经过混捏的糊料，一般温度比较高（如铝用炭素阳极糊料在170180左右），并含有一定数量的烟气。凉料的目的就是使糊料均匀地冷却到一定的温度，并充分排出夹在糊料中的烟气，否则生坯中就会夹入烟气而产生废品。另外，凉料也使糊料块度均匀，利于成型。 糊料的粘结剂用量较大时，凉料时间应该长些，在较低的温度下才能加入压机料室；而当糊料的粘结剂用量较小时，则凉料时间可短一些，糊料应在较高的温度下加入压机料室。凉料温度的高低和凉料的均匀与否，对压型成品率有很大的影响。,3）影响混捏质量的因素,（1）混捏温度的影响 混捏温度过低，沥青粘度就会增大，流动性变差，沥青对干料的浸润性不好，造成混捏不均，甚至夹干
11、料，导致糊料塑性变差，不适宜于成型，造成生块结构不均、疏松。随着温度的升高，糊料塑性逐渐变好，但混捏温度过高，沥青发生氧化反应，轻馏分分解挥发，糊料老化，俗称发渣，也不利于混捏成型。,（2）混捏时间的影响 混捏时间过短，则糊料混捏不均，沥青对干料浸润渗透不够，甚至会出现夹干现象，糊料塑性变差，适当延长混捏时间，可以使糊料混捏更均匀，糊料塑性变好。但混捏时间过长，对糊料的均匀程度提高甚微，反而使干料粒度组成发生变化（大颗粒遭到破碎），粘结剂氧化程度加深，混捏质量变差。,（3）粘结剂用量、性质的影响 粘结剂用量过少则糊料发干，干料颗粒表面不能形成均匀分布的沥青薄膜，糊料塑性变差。随着粘结剂用量增大
12、，糊料的流动性变好，均匀性提高，糊料塑性变好。但粘结剂用量过多，则生块容易弯曲变形，焙烧废品率提高，制品的体积密度减少，气孔率增大。,（4）干料粒度及性质的影响 干料粒度组成相差越大，则混捏均匀性和密实性愈高。干料颗粒表面粗糙，气孔多，则粘结剂能很好地粘附在颗粒表面，糊料塑性相对愈好。,6.2.3 混捏设备,炭素制品生产使用的混捏设备应满足以下要求：对不同粒度的颗粒料进行混合搅拌，并且搅拌越均匀越好；既能干搅又能湿混（湿混又称热混）；生产能力能满足下工序需要。,混捏机按其运行方式不同大致分为三类：,接力式混捏机：干混和湿混在不同设备内进行。用于干混的设备有圆筒混合机、鼓形混合机、辊辗式混合机和
13、滚筒式混合机等，主要用于电炭生产的冷混合。 间歇式混捏机：干混和湿混在同一台设备内进行，即先干混，混后加入粘结剂进行湿混。混好后将糊料排出，然后重新加入干料开始下一混捏周期。如单轴搅拌混捏机、卧式双轴混捏机和逆流高速混捏机等，它们广泛应用于带粘结剂糊料的热混合。 连续式混捏机：有双轴连续混捏机和单轴连续混捏机，主要用于阳极糊和电极糊等糊类产品的混捏。,1）卧式双轴混捏机,（1）结构 卧式双轴混捏机（又称双轴搅拌混捏锅）的结构如图所示，它主要由锅体，搅刀和减速传动装置构成。锅体的上部是立方体，下部有两个半圆形长槽，两半圆形槽的中间构成一个纵向的脊背体。锅体内镶锰钢衬板，锅体周围是加热夹套。锅体顶
14、部为锅盖，锅盖上有干料和粘结剂加入口以及烟气排出口。锅体内有两根平行的Z型搅刀，分别在锅底的两个半圆形槽内，彼此相对转动，而且转速不一。搅刀通过减速箱与电动机相连。翻转式混捏机设有锅体翻转机构；底开式混捏机设有料口开启和关闭装置。,卧式双轴混捏机结构示意图 1电动机；2对轮及抱闸；3蜗轮翻锅减速机；4衬板；5搅拌轴；6加热套； 7锅体；8齿轮；9减速机；10电动机,（2）工作原理,这种混捏机同时起着挤压和分离两种混捏作用。糊料在混捏机内，由于两根搅刀相向以不同转速转动，不断受到搅刀反复翻动和压搓作用，进行挤压混捏。当糊料被翻动到锅底的脊背上时即被劈分成两部分，当一部分糊料被脊背劈下而脱离原搅刀
15、的作用后，则被另一根搅刀带走，这时所进行的是分离混捏。两搅刀不断地转动，这样使糊料受到搅拌、挤压、劈分和捏合，从而达到均匀混捏的目的。,2）双轴搅拌连续混捏机,双轴搅拌连续混捏机的结构如图所示，它是由U型或圆形壳体，搅拌轴，传动系统和加热系统组成，壳体内装两根搅拌轴，搅拌轴上安装有若干片正向搅刀和反向搅刀。物料加入锅内，搅拌轴由电动机经减速机带动。正向搅刀的作用是一边起搅拌作用，一边迫使糊料向出料口方向移动；反向搅刀的作用是增加被混捏糊料内部的挤压力。正向搅刀数量比反向搅刀多。,连续混捏机示意图 1出料口转轮；2出料口活门；3出料口；4排烟口；5沥青下料口； 6干料下料口；7轴承；8齿轮；9减
16、速机；10电动机； 11，13反向搅刀；12，14正向搅刀；15加热装置,双轴搅拌连续混捏机的优点是机械化程度高，而且可以实现自动化和遥控操作，生产能力大，劳动条件好，但是只适用于大批量单一品种产品的生产，而不适用于经常要变动配方、多品种产品的生产。,6.3 成型,6.3.1 成型方法概述,成型是将混捏得到的糊料通过一定的成型方式，采用相应的成型设备压成具有规定形状、尺寸和理化性能的生坯的工艺过程。成型工艺要达到两个目的：一是使制品具有一定的形状和规格；二是使制品密实，具有一定密度、强度。,在炭素制品生产中，常用的成型方法有模压法、挤压法、振动成型法、等静压成型法。,（1）模压法 模压法是将一
17、定数量的粉料装入模具内，从上、下部单向或双向加压，使之受压成型。模压法适用于压制三个方向尺寸相差不大、密度均匀以及结构致密的制品，但模压法生产效率低。模压法常用设备为立式液压机。,（2）挤压法 挤压法是通过挤压机对装入料室的糊料施加压力，糊料不断密实和运动，最后通过挤压嘴挤出所需形状的制品。在炭素生产中挤压法应用最为广泛，具有产品质量均匀，生产量大，生产效率高等优点，适合于生产长条形的棒状或管状制品。挤压机可半连续生产，挤压法常用设备有卧式液压挤压机（油压或水压）和螺旋挤压机。,挤压成型示意图 1柱塞；2糊缸；3糊料；4挤压嘴；5压出毛坯,挤压过程中，糊料颗粒间以及糊料和模壁间存在着内、外摩擦
18、力，这种摩擦力形成了堆挤压力的反作用力，正是由于这种反作用力的存在使糊料压实。内摩擦力的大小取决于颗粒特性、粘结剂性质和用量以及成型时的温度等因素。外摩擦力的大小与模嘴的结构形状有关，也与粘结剂的性质、用量以及摩擦面的温度有关。当模嘴结构一定时，外摩擦系数与沥青粘结剂的软化点及糊料温度之间的关系如图所示。,（3）振动成型法 振动成型法是利用高速振动（频率20003000次/min，振幅13min）的振动机组，使装在成型模内的糊料处于强烈的振动状态，从而使糊料密实成型。振动成型法特别适合生产异形制品和长、宽、厚三个方向尺寸相差不大的粗短制品，但此法生产效率较低，噪音较大。振动成型法主要设备为振动成型机。,双轴振动台振动成型示意图 1双轴振动台；2成型模；3上压盖；4重锤；5重锤导向 杆；6卷扬机平台；7升降重锤用卷扬机；8凉料平台,（4）等静压法 等静压法是利用高压容器内的液体或气体介质对装有糊粉的弹性模具从各个方向均匀加压，使糊料受压成型。等静压法可生产各向同性制品和各种异形制品，此法生产的制品结构均匀，密度高。等静压法主要设备为等静压成型机。,
