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石墨制品化學(xué)法提純問題之解析

石墨制品化學(xué)法提純問題之解析

田英文

（方大炭素新材料科技股份有限公司 甘肅蘭州 730084）



摘要：本文作者通過長期在高純石墨生產(chǎn)過程中，所積累和了解的一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對發(fā)生在化學(xué)凈化中，常見和不常見的生產(chǎn)、質(zhì)量問題進(jìn)行解析，并提出相應(yīng)的解決辦法，期望能為國內(nèi)同仁在進(jìn)行同樣工作中，起到參考和指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：化學(xué)凈化 問題解析 改進(jìn)措施

1.前言

在石墨化過程中，以鹵素（如氯、氟）進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，除去制品內(nèi)各類雜質(zhì)的方法，稱化學(xué)凈化法。利用化學(xué)凈化的方法，對石墨類產(chǎn)品進(jìn)行高純度的處理，在我國已有幾十年的歷史。早在上世紀(jì)五、六十年代，為滿足當(dāng)時國家原子能反應(yīng)堆和航天等領(lǐng)域?qū)μ胤N石墨材料的需求，原吉林炭素廠，蘭州炭素廠和上海炭素廠都曾先后大批量的進(jìn)行過高純石墨的生產(chǎn)。僅原蘭州炭素廠一家，從1968年～1984年，就先后生產(chǎn)過數(shù)千噸，各種用途不同的高純石墨材料，不僅滿足了當(dāng)時國防工業(yè)和其它行業(yè)的需求，有些還出口到國外。

利用化學(xué)法對石墨類進(jìn)行高純度的處理，在老一代炭素人眼里，并不是什么神秘、尖端的新科技，僅僅是多了一道工序的炭素生產(chǎn)而已。
1984年后，由于國內(nèi)需求量發(fā)生了變化，上述企業(yè)基本陸續(xù)停止或縮減了該類產(chǎn)品的生產(chǎn)，從而造成了今天的國內(nèi)企業(yè)中大多數(shù)員工，對此項(xiàng)技術(shù)感到陌生和神秘。近年來，隨著科技水平的發(fā)展和國內(nèi)外新能源市場的興起，人們把目光再次集中到這種含碳量高，灰分小，更具有高強(qiáng)、高密等特點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)高純石墨材料。如高含碳量的負(fù)極材料、航空、航模、動力電池以及核能發(fā)電中的高溫氣冷堆（HTGR）等等。為迎合上述產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有的企業(yè)已專門進(jìn)行提純業(yè)務(wù)，有的在改造，有的在興建，更多的已納入計(jì)劃，好一個忙碌景觀[1]。

在石墨類制品化學(xué)凈化過程中，和生產(chǎn)普通制品一樣，有時也會發(fā)生一些常見和不常見的生產(chǎn)、質(zhì)量方面的突發(fā)性問題，根據(jù)筆者長期從事高純石墨生產(chǎn)中積累的一些實(shí)踐知識，對以下重點(diǎn)問題進(jìn)行探討、解析。

2.總灰分偏高

高純石墨一般是指含碳量大于99.99%，總灰分≤50ppm的石墨。按使用的不同，又分為50×10-6，20×10-6，10×10-6等幾個級別[3]。

國內(nèi)高純石墨的生產(chǎn)，基本是建立在艾奇遜爐的基礎(chǔ)上，并配以純化通氣處理系統(tǒng)。由于艾奇遜爐存在大量電能、熱能上的損耗，熱利用率很低。而化學(xué)凈化法，只有在高溫下，才能進(jìn)行最佳反應(yīng)，一般要求爐溫在2800℃以上，爐溫越高，反應(yīng)的時間越充沛，凈化的效果也越好。可見溫度對凈化效果的影響是顯著的，盡管氣體分布是均勻的，但凈化溫度與時間的關(guān)系如果不當(dāng)，同樣也達(dá)不到提高凈化的效果[2]。

為了確保石墨化爐有較高的溫度，噸產(chǎn)品的電單耗，相對普通品的石墨化，要高出一倍多，按焙燒坯品重量，平均噸單耗一般都在10000度左右。同時爐芯寬度也不宜過大，一般在1.2～1.6米為好，這樣，既有利于更好的提高爐芯內(nèi)的溫度和保溫效果，防止有害氣體從邊墻泄露，也有利于通入的氣體能夠充分的集中反應(yīng)。

高純石墨制品，大多是采用細(xì)顆?；虺?xì)顆粒的優(yōu)質(zhì)焦炭壓制的坯品 , 國外甚至生產(chǎn)出超級細(xì)顆粒（粒度5～10μm）和納米級顆粒的坯品。我們知道，坯品的密度越高，顆粒越細(xì)，體積越大，石墨化純度的處理難度也越大。其一爐溫上升，不能過快，否則易發(fā)生制品開裂。其二由于本體密度過高，鹵素氣體很難滲入到制品內(nèi)部，使反應(yīng)時間和速度延長。為了保證制品即不開裂又能獲得高純度的產(chǎn)品，對一些較大規(guī)格的坯品，國內(nèi)常用兩次石墨化的辦法解決。國外的先進(jìn)工藝是先將坯品進(jìn)行石墨化，再用一種化學(xué)提純機(jī)的裝備，對制品進(jìn)行鹵素純化處理。（據(jù)說經(jīng)這種提純機(jī)處理后的制品，總灰分可達(dá)到5×10-6，甚至1～2ppm）。

經(jīng)提純處理后的石墨類制品總灰分高與低，除了溫度因素外，另一個關(guān)鍵因素，就是氣體通入量和各溫度階段對所通入氣體的調(diào)控是否合理。經(jīng)驗(yàn)證明，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能和用戶的不同要求，各通氣量，一般分別為坯品總裝爐量的6～10%，小規(guī)格，粗結(jié)構(gòu)的制品，可按下限，反之按上限，中等規(guī)格及負(fù)極材料類，可適當(dāng)在中限選擇，如果用戶對總灰分有特殊要求，有時還需突破上限。這與以前各類文獻(xiàn)和教材書中所談到的，氯氣通入量為坯品的50kg/T，氟利昂為20～30kg/T，有很大的差距，之所以過去偏低，主要是受當(dāng)時產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和規(guī)格的限制。

化學(xué)凈化法常用的鹵素氣體，主要有氯氣（Cl），氟氣（又稱氟利昂），其中氟氣又分為二氟一氯甲烷（CHClF2、R22、F22），二氟二氯甲烷（CCl2F2、氟利昂-12、R12），及氮?dú)猓∟2），氬氣（Ar）。

在炭素材料總灰分中，除少量雜質(zhì)以單獨(dú)元素存在外，多數(shù)是以化合物的形態(tài)存在，因此，在正常的石墨化溫度下，是很難去掉這些雜質(zhì)的。例如某高純石墨制品前后對比，見表1。

表1 某高純石墨前后灰分對比表

元素名稱

化學(xué)符號

沸點(diǎn)

未石墨化前

石墨化后

純化后

表1  某高純石墨前后灰分對比表

事實(shí)上，氟也可與某些金屬雜質(zhì)反應(yīng)，生成某些金屬氟化物類的雜質(zhì)，如氟化鋁、氟化鈉等。

由于各種雜質(zhì)與鹵素相反應(yīng)的溫度，各不一樣，因此，氣體的輸送也需選擇在不同的溫度下進(jìn)行。以國內(nèi)某炭素廠為例，當(dāng)爐溫達(dá)到1750±50℃時，先送一次氯氣至2300℃左右，然后改送氟氣（二氟一氯甲烷或二氟二氯甲烷），這一區(qū)間需維持到停電后，爐溫下降到2400±50℃，繼續(xù)更換成氯氣，進(jìn)行二次送氯。爐溫下降至1800℃左右，停止送氯。用惰性氣體——氮?dú)鈱t內(nèi)的殘余氣體，進(jìn)行清洗。

氮?dú)獾耐ㄈ肓?，?yīng)根據(jù)爐子的大小和裝爐量而定，按標(biāo)準(zhǔn)40L的氮?dú)馄浚话憧蛇x擇在40～60瓶之間，筆者建議盡可能多送些，以防止?fàn)t內(nèi)雜質(zhì)氣體對制品的反滲。氮含量對大多產(chǎn)品不會帶來影響，但對某些特殊用途的產(chǎn)品，如核石墨，因氮對中子的俘獲截面大，在生產(chǎn)這類產(chǎn)品時，還要在通氮后，送入一定時間的氬氣，對氮進(jìn)行清洗。

3.氣體通入量的計(jì)算

化學(xué)凈化過程中，無論氯氣和氟氣的通入，一般都是經(jīng)某種流量計(jì)，進(jìn)行控制，并按經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行推算。常用流量計(jì)多為玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。見圖1。

各種流量計(jì)，其操作原理大體是一樣的，只是浮子的材質(zhì)有所不同，有塑料，銅，鋁，不銹鋼等。

按移動式送氯裝置常用的LZB-15型，不銹鋼浮子計(jì)算，氯氣和氟氣平均每1刻度（最小刻度為0.1），每一小時輸出液體約3kg左右。根據(jù)長期對各階段爐溫上升速度和時間的摸索，得出下列規(guī)律。

同樣，以某炭素廠凈化提純爐為例，每爐平均裝入11噸左右的產(chǎn)品，從爐溫1750℃送入一次氯氣，到2300℃改送二氟二氯甲烷，一般所需時間約12個小時，通氟時間在19～20小時之間，二次氯氣則需10小時，浮子每1刻度，每小時通氣量3kg（可看為常數(shù)項(xiàng)），每次連接的瓶數(shù)為7瓶。通氣量可按下列經(jīng)驗(yàn)公式推算。


Q=a×h×n×t

式中：a—每小時通氣量（kg）；


h—浮子刻度；


n—連接的瓶數(shù)；


t—送氣時間（小時）。

當(dāng)浮子刻度為1時，全爐通氣量為：


Q（氯）＝3×1×7×（12+10）＝462kg

Q（氟）＝3×1×7×20＝420kg

當(dāng)浮子刻度為2時，通氣量則分別為：Q（氯）＝924kg，Q（氟）＝840kg。

在實(shí)際操作時，因?yàn)橐紤]到各類元素雜質(zhì)反應(yīng)的溫度不同，初送時，浮子刻度可調(diào)小些，隨著溫度的升高，逐步調(diào)大。

由于所裝產(chǎn)品的不同，送電曲線的不同，每爐的升溫速度和上升時間也不盡相同，現(xiàn)場操作人員，應(yīng)根據(jù)每爐的具體情況來操作，一般實(shí)踐3～4爐后，基本上就可摸索出其中的規(guī)律。

按經(jīng)驗(yàn)公式推算各氣體的通入量，必須是在一定的條件下，如果浮子材質(zhì)變化或流量計(jì)玻璃管的公稱直徑改變，則需摸索出所送氣體，每小時的流量，才能按此經(jīng)驗(yàn)公式推算。

4.導(dǎo)氯管突發(fā)性堵塞

化學(xué)凈化過程中，無論氯氣、氟氣或氮?dú)?，都需要通過爐底下部鋪設(shè)的石墨導(dǎo)管進(jìn)入爐芯。

導(dǎo)氯管分內(nèi)導(dǎo)管和外導(dǎo)管，用接頭聯(lián)接，中間為通孔（包括接頭），在內(nèi)導(dǎo)管中間上部，鉆有若干對稱的通氣小孔，直徑在φ6～8mm左右。氣體經(jīng)外導(dǎo)氯管與鐵件連接孔，進(jìn)入爐內(nèi)，并通過內(nèi)導(dǎo)氯管的小孔，向爐芯輸入。

導(dǎo)氯管的暢通，是制品化學(xué)凈化中的關(guān)鍵所在，然而在實(shí)際生產(chǎn)中，偏偏就有在送氣過程中，內(nèi)導(dǎo)氯管突發(fā)性堵塞，造成氣體無法正常輸送的怪現(xiàn)象。導(dǎo)氯管是否堵塞，可以從下面兩方面進(jìn)行判斷：

（a）移動式送氯裝置：連接鐵件的塑料管，發(fā)生膨脹，用手觸摸，原來的塑料軟管，變成又鼓又硬狀（移動式送氯裝置見圖2）。

（b）固定式送氯裝置：在調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)刻度時，浮子不動，關(guān)閉氣體重新開啟后，浮子上升困難
（固定式送氣裝置見圖3）。

處理方法：關(guān)閉通氣閥，佩戴好防毒面具，卸開鐵件與石墨導(dǎo)氯管的連接處，用一根稍長些的鋼筋棍快速的進(jìn)行疏通，并用氮?dú)鈱ν饪走M(jìn)行吹洗，孔內(nèi)有光柱射出；說明導(dǎo)管已經(jīng)暢通。如果沒有光柱，孔內(nèi)暗黑，需繼續(xù)疏通，直到光柱射出。

導(dǎo)氯管突發(fā)性堵塞，大多發(fā)生在通氟期間，主要原因是二氟一氯甲烷屬低溫制冷劑—可得到－80℃的制冷溫度，單位容積內(nèi)制冷能力比二氟二氯甲烷高出40～60%，兩者之間沸點(diǎn)和物理焓值相差很大，當(dāng)通入二氟一氯甲烷后，會造成導(dǎo)氯管內(nèi)孔急速降溫，氣體發(fā)生裂解反應(yīng)，甚至在裂解反應(yīng)中，還原成液態(tài)氟氯碳化物。如果導(dǎo)氯管孔內(nèi)溫度降低到700℃～900℃左右時，還會裂解反應(yīng)生成一種四氟乙烯（C2F4）的物質(zhì)。

CHClF2（700～900℃）→CF2=CF2

其分子結(jié)構(gòu)簡式為：CF2=CF2



這種有4個氟分子，兩個碳分子組成的四氟乙烯物質(zhì)，因其濃度較高，易形成發(fā)泡膠質(zhì)狀，從而使內(nèi)導(dǎo)管通氣孔突發(fā)性堵塞。為避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，可采用不易裂熱生成四氟乙烯物質(zhì)的二氟二氯甲烷（R12），或二氟一氯甲烷和氯兩者1:1的混合性氣體。
5.制品氧化

各類氣體結(jié)束后，爐子的冷卻，主要是以自然冷卻的方式，不能澆水強(qiáng)冷。氣體凈化爐產(chǎn)品氧化主要來自兩個方面。

（a）常見的人為因素——操作不當(dāng)造成風(fēng)、水氧化

①通氣結(jié)束后，沒及時將外部導(dǎo)氯管輸氣孔封閉，或封閉不嚴(yán)，使空氣進(jìn)入；

②導(dǎo)氯管與爐墻連接之間有裂縫；

③抓上部保溫料過早或覆蓋不嚴(yán)；

④爐頭尾導(dǎo)電電極有缺陷，使冷卻水進(jìn)入爐內(nèi)。

（b）不常見的人為因素——硅氣氧化

硅氣氧化是指由于操作不當(dāng)，造成爐底或邊墻耐火材料燒壞、熔化，使硅蒸氣滲透到制品表面及內(nèi)部的一種現(xiàn)象。其原因大多是由于爐底和邊墻的保溫料經(jīng)多次循環(huán)使用后，電阻變小，絕緣程度變差造成電流的偏流所至。

操作中，為了防止耐火材料燒損產(chǎn)生硅氣對產(chǎn)品的侵害，爐芯的四周特別是爐底，每爐都應(yīng)有一定厚度(一般應(yīng)不小150mm) 的全新保溫料，同時, 爐底支撐石墨導(dǎo)氣管的材料必須采用電阻較高的炭塊類, 決不能選用電阻小的石墨類。

（c）不常見的外部因素——?dú)怏w氧化

用于石墨化產(chǎn)品化學(xué)凈化的氮?dú)猓緦俟I(yè)級別，按純度，又分為一級和二級。無論是哪個級別，正常的情況下，都不會對產(chǎn)品造成傷害，但也有例外；原蘭州炭素廠在上世紀(jì)八十年代初，曾經(jīng)接連發(fā)生過氮?dú)庋趸a(chǎn)品的奇事（全部是下層產(chǎn)品氧化）,后來經(jīng)分析和對生產(chǎn)氮?dú)獾膹S家考察，發(fā)現(xiàn)是氮?dú)庵苽溥^程中，由于設(shè)備出現(xiàn)了問題，又沒進(jìn)行出廠檢驗(yàn)，導(dǎo)致氮?dú)庵械乃趾秃趿繃?yán)重超標(biāo)，引起產(chǎn)品的下部氧化。在此，筆者提醒，因凈化提純，每爐用氮?dú)饬枯^多，采購時應(yīng)對生產(chǎn)廠家進(jìn)行必要的考察，選擇正規(guī)，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)，有嚴(yán)格檢驗(yàn)程序的企業(yè)。

另外氟利昂在低溫時，容易和炭發(fā)生反應(yīng)，生成四氟化碳，對石墨產(chǎn)品造成侵蝕，因此，在爐溫1900℃之前，決不能通入氟氣，使產(chǎn)品出現(xiàn)化學(xué)傷害[2]。

6.其它相關(guān)事項(xiàng)

6.1 氣體操作

在化學(xué)凈化過程中，使用的氯氣和氟利昂均屬于有毒、有害氣體，一旦發(fā)生泄漏，人員過量吸入，會引起中毒，因此，操作、吊運(yùn)、貯存都必須嚴(yán)格按國家化學(xué)用品的有關(guān)規(guī)程、制度執(zhí)行。

氯氣的密度比空氣大，有強(qiáng)烈的刺激性氣味，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，操作人員要佩戴防毒面具，用氨水找出泄漏源，用石棉繩沾水玻璃（又稱泡花堿），對泄漏點(diǎn)進(jìn)行封閉。

氯氣本身是一種黃綠色的氣體，和氨氣接觸，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成氯化氨。

3Cl2+8NH3=6NH4Cl+N2 （氨氣過量）

3Cl2+2NH3=6HCl+N2 （氯氣過量）

氯化氨是一種濃烈的黃白色氣體，煙霧和刺激味很大。用氨水來尋找氯氣的泄漏點(diǎn)，是化學(xué)凈化中常用的方法和必備的用品。

氯氣和氟利昂貯存和吊運(yùn)時，嚴(yán)禁暴曬和碰撞，操作現(xiàn)場應(yīng)常備一個容積比瓶子大些的鐵槽和火堿，萬一遇到瓶子破損時，可迅速將破損的瓶子吊入鐵槽內(nèi)進(jìn)行化合反應(yīng)處理（加入火堿和水）。

6.2 溫度的測定

由于化學(xué)凈化過程中，爐溫與通氣時間等有著十分密切的關(guān)系，因此須對每爐都要進(jìn)行測溫，同時為了防止石墨測溫管發(fā)生意外斷裂等，一般要安裝兩個。

具體測溫步驟如下：

低溫階段（室溫～1500℃左右），用熱電偶，如鉑銠-鉑型，連接數(shù)顯表，進(jìn)行自動測溫。

高溫階段（1500℃～最高爐溫～通氣結(jié)束），用紅外線測溫儀（最高可測3000℃），或光電高溫儀（最高可測3200℃）。

石墨化送電中，由于煙氣較多，當(dāng)進(jìn)入高溫階段，測溫時發(fā)現(xiàn)測溫孔煙氣過大，可用氮?dú)獯迪?，以減少被測溫度的誤差。準(zhǔn)確的爐溫測定，是化學(xué)凈化法的保證。

6.3尾氣與處理

對爐中產(chǎn)生的煙氣（尾氣）進(jìn)行無害化處理，是當(dāng)今化學(xué)凈化過程中，所必須具備的環(huán)保條件之一。

在高溫下，氯、氟氣體與制品中的雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，生成的氯化物和氟化物，經(jīng)分解，氣化而產(chǎn)生的煙氣，多數(shù)屬酸性氣體。根據(jù)化學(xué)中的酸與堿可生成鹽與水的中和反應(yīng)原理，利用工業(yè)火堿（NaOH）加入水稀釋后，對尾氣進(jìn)行處理，是目前國內(nèi)常用的、行之有效的方法。

6.3.1直接噴淋法

煙氣通過爐罩，進(jìn)入煙道，在爐道的尾部，建一個封閉的方長形處理室（處理室留有人員維護(hù)進(jìn)出通道，平時封閉），在處理室的下部，用混凝土，修成水池，并在水池的上部安裝若干條噴淋管，四周用石棉等材料填充密封，堿水通過泵體進(jìn)行循環(huán)，使煙氣得到充分的噴淋。

輔助設(shè)施：為保證煙氣順利通過，可在煙道內(nèi)增加一臺抽風(fēng)機(jī)，并在處理后的煙氣排放尾部，安裝一個略高出廠房的煙囪，（紅磚砌筑或鐵質(zhì)均可）。如企業(yè)有廢舊的煙囪，可直接利用。

直接噴淋法的特點(diǎn)是，費(fèi)用較低，維護(hù)方便，不占企業(yè)地面空間，可修建在地下。被處理后的煙氣，呈白色煙狀，檢驗(yàn)達(dá)標(biāo)。

6.3.2 罐式處理法

目前很多企業(yè)使用的方法，煙氣通過爐罩，進(jìn)入煙道，在風(fēng)機(jī)的作用下，使煙氣進(jìn)入裝滿堿水液體的不銹鋼處理罐內(nèi)，經(jīng)過液體循環(huán)和煙氣鼓泡的原理使酸性氣體反應(yīng)，煙氣在第一個罐反應(yīng)后，進(jìn)入第二個罐再次循環(huán)，最后排除。

特點(diǎn)：采用罐式處理法，費(fèi)用較高，維護(hù)難度大，需占用企業(yè)地面空間，被處理的煙氣效果較好，檢驗(yàn)達(dá)標(biāo)。

7.結(jié)語

利用化學(xué)凈化法，對石墨類產(chǎn)品進(jìn)行純化處理，本來是在我國上世紀(jì)很多企業(yè)和人員都掌握的一項(xiàng)正常技術(shù)。（如原蘭州炭素廠等單位就有氯化工崗位）。如今，在少數(shù)人員中，以“獨(dú)創(chuàng)技術(shù)”進(jìn)行所謂的保密和控制，拒絕參觀，拒絕交流，對此筆者不敢茍同。筆者認(rèn)為，上一代炭素人積累下來的經(jīng)驗(yàn)和知識，不應(yīng)該被時間和市場的變遷而中斷，更不應(yīng)該變成少數(shù)人的所謂“專利”，應(yīng)該一代一代的傳承下去。

中國炭素工業(yè)的前景是美好的，只有不斷交流，取長補(bǔ)短才能共同發(fā)展。互相封鎖，相互制約只會給中國的炭素工業(yè)發(fā)展帶來危害。

以上論述，純屬個人觀點(diǎn)，在此不求一致，但求同感。

參考文獻(xiàn)

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[2]陳蔚然. 炭素材料工藝基礎(chǔ),1984.6.湖南大學(xué).

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[4]N·A蘭格(Lange)，蘭氏化學(xué)手冊，第十三版中文版，2010.1.

[5]周公度.《化學(xué)辭典》2011.3.化學(xué)工業(yè)出版社.



作者簡介：田英文，男，黑龍江哈爾濱出生。1967年進(jìn)入炭素企業(yè)工作，1978年畢業(yè)于湖南大學(xué)化工系炭素專業(yè)，從事炭素石墨化技術(shù)、工藝40多年，現(xiàn)聘為方大炭素新材料科技股份有限公司特種石墨生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)。