第六章混捏和成型工藝《炭素材料》教學(xué)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(dòng)成型6.1概述在混捏成型生產(chǎn)過(guò)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(shí)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(diǎn)60oC以上，實(shí)際生產(chǎn)上混捏溫度在160～180oC左右。由于我國(guó)改質(zhì)瀝青的粘度較高、對(duì)煅后焦的濕潤(rùn)性差，為了保證混捏質(zhì)量，需提高糊料的混捏溫度，這對(duì)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(yáng)極質(zhì)量的一個(gè)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(guò)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(guò)程稱為混捏?；炷笫翘克刂破飞a(chǎn)的關(guān)鍵工序。混捏的目的：

(1)使各種原料均勻混合，同時(shí)使各種不同大小的顆粒均勻地混合和填充，形成密實(shí)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?；ハ嗾辰Y(jié)起來(lái)，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(jìn)一步提高粘結(jié)劑和糊料的密實(shí)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。混捏工藝過(guò)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(jī)液體的粘合是焦炭表面上未飽和化學(xué)健力（又稱化學(xué)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(shí)，吸附就達(dá)到飽和，根據(jù)這一理論，焦炭表面只能吸附厚度為一個(gè)分子層的粘結(jié)劑。根據(jù)化學(xué)相似原理，相互接觸的物質(zhì)在化學(xué)性質(zhì)上越相似，相互間的作用就越強(qiáng)。這是范德華力在起作用的緣故，范德華力不同于化學(xué)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(xué)性質(zhì)不止相似，甚至相近，彼此間作用強(qiáng)，更加容易吸附，而且彼此之間能牢固地結(jié)合。（2）潤(rùn)濕當(dāng)固體炭素顆粒與液態(tài)粘結(jié)劑接觸時(shí)，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(dāng)溫度足夠高時(shí)，粘結(jié)劑分子會(huì)從顆粒表面遷移到微孔中去，從而把固體顆粒潤(rùn)濕。粘結(jié)劑對(duì)炭素骨料的潤(rùn)濕性可以用潤(rùn)濕角衡量。煤瀝青屬于弱極性物質(zhì)，在一定溫度下，對(duì)炭素原料的顆粒有較好的潤(rùn)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(rùn)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(qiáng)極性的吸附層，就會(huì)顯著降低瀝青對(duì)固體炭素顆粒的潤(rùn)濕作用。潤(rùn)濕作用的強(qiáng)弱由固相與液相接觸界面上的表面張力來(lái)決定，張力的大小可以用兩相潤(rùn)濕接觸角θ來(lái)表示。θ為在固、液兩相接觸點(diǎn)對(duì)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(diǎn)不同和加熱溫度不同時(shí)，潤(rùn)濕接觸角在很大范圍內(nèi)變動(dòng)。（3）滲透瀝青接觸固體炭素顆粒不僅有表面吸附和潤(rùn)濕，還有毛細(xì)管滲透現(xiàn)象。一旦瀝青潤(rùn)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(shí)自發(fā)地滲透到骨料顆粒的孔隙中，是由于瀝青對(duì)顆粒表面的潤(rùn)濕接觸角小于900時(shí)，將在顆粒的孔隙內(nèi)產(chǎn)生正的毛細(xì)管壓力引起的，毛細(xì)管壓力越大，滲透能力越強(qiáng)。瀝青的加熱溫度越高，其粘度越低，對(duì)顆粒的潤(rùn)濕性越大，產(chǎn)生的毛細(xì)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(xiàng)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。混捏工藝過(guò)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(jì)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(dá)到規(guī)定溫度時(shí)，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(shí)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(diǎn)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(diǎn)?；炷笠欢〞r(shí)間，糊料達(dá)到出鍋溫度時(shí)排料進(jìn)入下一工序?；炷蟮墓に嚰夹g(shù)條件主要是溫度和時(shí)間。（1）混捏溫度混捏過(guò)程的最佳溫度視粘結(jié)劑的軟化點(diǎn)而定。一般來(lái)說(shuō)，混捏最終溫度應(yīng)該選定比粘結(jié)劑軟化點(diǎn)高出50－80℃，在此溫度下，瀝青具有較好的浸潤(rùn)作用，因?yàn)闇囟雀?，瀝青粘度小，流動(dòng)性好，浸潤(rùn)效果好，同時(shí)滲透到顆粒空隙中去；溫度不夠，瀝青粘度大，混捏時(shí)攪刀轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)荷大，較難使鍋內(nèi)粉料和瀝青混捏攪拌均勻，糊料密實(shí)度差，糊料的塑性也差，用這樣的糊料壓制出來(lái)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(guò)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(qiáng)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(shí)間混捏時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于混捏機(jī)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?，均以混捏均勻，制品性能穩(wěn)定為前提，糊料混捏時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，糊料塑性將會(huì)降低，成型困難，這是由于在混捏過(guò)程中，粘結(jié)劑的輕質(zhì)餾分揮發(fā)，部分有機(jī)物受到氧化，粘結(jié)劑的軟化點(diǎn)逐步提高，糊料變硬，并且糊料在混捏機(jī)內(nèi)停留時(shí)間愈長(zhǎng)，溫度愈高，粘結(jié)劑的氧化程度就愈深；混捏時(shí)間過(guò)短，會(huì)使糊料達(dá)不到最佳的塑性狀態(tài)。當(dāng)糊料未達(dá)到最佳塑性狀態(tài)時(shí)，攪刀負(fù)荷較大，且不均勻，可從攪刀電流表上看到指針擺動(dòng)振幅較大。攪刀負(fù)荷降低，且電流表指針擺動(dòng)振幅變小時(shí)，糊料的塑性趨于穩(wěn)定，也趨于最佳。溫度和時(shí)間是混捏制度的兩個(gè)主要參數(shù)，兩者相互制約，在實(shí)際操作中混捏時(shí)間在基本滿足混捏制度的前提下視混捏溫度做適當(dāng)調(diào)整：①混捏溫度較低時(shí)，可適當(dāng)延長(zhǎng)混捏時(shí)間，混捏溫度較高時(shí)，可適當(dāng)縮短混捏時(shí)間；②瀝青軟化點(diǎn)變化時(shí)，糊料的混捏溫度隨之相應(yīng)變化，因此應(yīng)適當(dāng)改變混捏時(shí)間；③由于加熱條件變差，造成混捏溫度上不去時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)混捏時(shí)間；④加入生碎時(shí)，應(yīng)根據(jù)加入生碎量適當(dāng)延長(zhǎng)混捏時(shí)間；⑤原料水份含量偏高時(shí)，應(yīng)在100－110℃保溫一段時(shí)間，讓原料中水份流動(dòng)揮發(fā)，因此混捏時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。2）涼料

經(jīng)過(guò)混捏的糊料，一般溫度比較高（如鋁用炭素陽(yáng)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(huì)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(shí)，涼料時(shí)間應(yīng)該長(zhǎng)些，在較低的溫度下才能加入壓機(jī)料室；而當(dāng)糊料的粘結(jié)劑用量較小時(shí)，則涼料時(shí)間可短一些，糊料應(yīng)在較高的溫度下加入壓機(jī)料室。涼料溫度的高低和涼料的均勻與否，對(duì)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(guò)低，瀝青粘度就會(huì)增大，流動(dòng)性變差，瀝青對(duì)干料的浸潤(rùn)性不好，造成混捏不均，甚至夾干料，導(dǎo)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(guò)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(shí)間的影響混捏時(shí)間過(guò)短，則糊料混捏不均，瀝青對(duì)干料浸潤(rùn)滲透不夠，甚至?xí)霈F(xiàn)夾干現(xiàn)象，糊料塑性變差，適當(dāng)延長(zhǎng)混捏時(shí)間，可以使糊料混捏更均勻，糊料塑性變好。但混捏時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)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(guò)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(dòng)性變好，均勻性提高，糊料塑性變好。但粘結(jié)劑用量過(guò)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(shí)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(duì)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(duì)不同粒度的顆粒料進(jìn)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(jī)按其運(yùn)行方式不同大致分為三類：接力式混捏機(jī)：干混和濕混在不同設(shè)備內(nèi)進(jìn)行。用于干混的設(shè)備有圓筒混合機(jī)、鼓形混合機(jī)、輥輾式混合機(jī)和滾筒式混合機(jī)等，主要用于電炭生產(chǎn)的冷混合。間歇式混捏機(jī)：干混和濕混在同一臺(tái)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，即先干混，混后加入粘結(jié)劑進(jìn)行濕混。混好后將糊料排出，然后重新加入干料開始下一混捏周期。如單軸攪拌混捏機(jī)、臥式雙軸混捏機(jī)和逆流高速混捏機(jī)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(jī)：有雙軸連續(xù)混捏機(jī)和單軸連續(xù)混捏機(jī)，主要用于陽(yáng)極糊和電極糊等糊類產(chǎn)品的混捏。1）臥式雙軸混捏機(jī)（1）結(jié)構(gòu)臥式雙軸混捏機(jī)（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(dòng)裝置構(gòu)成。鍋體的上部是立方體，下部有兩個(gè)半圓形長(zhǎng)槽，兩半圓形槽的中間構(gòu)成一個(gè)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(gè)半圓形槽內(nèi)，彼此相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且轉(zhuǎn)速不一。攪刀通過(guò)減速箱與電動(dòng)機(jī)相連。翻轉(zhuǎn)式混捏機(jī)設(shè)有鍋體翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；底開式混捏機(jī)設(shè)有料口開啟和關(guān)閉裝置。臥式雙軸混捏機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1—電動(dòng)機(jī)；2—對(duì)輪及抱閘；3—蝸輪翻鍋減速機(jī)；4—襯板；5—攪拌軸；6—加熱套；7—鍋體；8—齒輪；9—減速機(jī)；10—電動(dòng)機(jī)（2）工作原理這種混捏機(jī)同時(shí)起著擠壓和分離兩種混捏作用。糊料在混捏機(jī)內(nèi)，由于兩根攪刀相向以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷受到攪刀反復(fù)翻動(dòng)和壓搓作用，進(jìn)行擠壓混捏。當(dāng)糊料被翻動(dòng)到鍋底的脊背上時(shí)即被劈分成兩部分，當(dāng)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(shí)所進(jìn)行的是分離混捏。兩攪刀不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣使糊料受到攪拌、擠壓、劈分和捏合，從而達(dá)到均勻混捏的目的。2）雙軸攪拌連續(xù)混捏機(jī)雙軸攪拌連續(xù)混捏機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示，它是由U型或圓形殼體，攪拌軸，傳動(dòng)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(dòng)機(jī)經(jīng)減速機(jī)帶動(dòng)。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(dòng)；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(jī)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(jī)；10—電動(dòng)機(jī)；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(jī)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械化程度高，而且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遙控操作，生產(chǎn)能力大，勞動(dòng)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(dòng)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(guò)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(guò)程。成型工藝要達(dá)到兩個(gè)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(shí)，具有一定密度、強(qiáng)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(dòng)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(gè)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(jī)。（2）擠壓法擠壓法是通過(guò)擠壓機(jī)對(duì)裝入料室的糊料施加壓力，糊料不斷密實(shí)和運(yùn)動(dòng)，最后通過(guò)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(diǎn)，適合于生產(chǎn)長(zhǎng)條形的棒狀或管狀制品。擠壓機(jī)可半連續(xù)生產(chǎn)，擠壓法常用設(shè)備有臥式液壓擠壓機(jī)（油壓或水壓）和螺旋擠壓機(jī)。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(guò)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(shí)。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(shí)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(dāng)模嘴結(jié)構(gòu)一定時(shí)，外摩擦系數(shù)與瀝青粘結(jié)劑的軟化點(diǎn)及糊料溫度之間的關(guān)系如圖所示。（3）振動(dòng)成型法振動(dòng)成型法是利用高速振動(dòng)（頻率2000～3000次/min，振幅1～3min）的振動(dòng)機(jī)組，使裝在成