摘要：
焙烧是⽣产具有优良性能超⾼功率⽯墨电极的重要⼯序。对焙烧炉炉型进⾏了⽐较，并深⼊分析了⽣坯在焙烧过程中的受热机理，总结了升温速率、黏结剂沥青、温度场等因素对⽯墨电极质量的影响，为⽣产⾼品质的⽯墨电极提供参考依据。 超⾼功率⽯墨电极因具有电阻率低、抗氧化性能好、热膨胀系数⼩等优点被⼴泛应⽤在电流密度⾼、⼯作条件苛刻的电弧炼钢炉上，⽽且其体积密度及抗折强度也需要达到较⾼的⽔平，同时，其弹性模量要适当，需要与配套的电极接头性能匹配才能在电炉炼钢过程中体现出很好的抗热震性能，且不易折断。因此，必须严格控制好超⾼功率⽯墨电极⽣产各道⼯序的⼯艺参数，确保各⼯序的产品质量合格和产品内在结构的均匀稳定。所以，不断地对⼯艺控制的各个环节进⾏优化是获取更优质产品的有效⼿段。本⽂着重论述和分析焙烧⼯序影响产品质量的主要因素。
pcb柔性连接器1 焙烧的概念及⼯艺内容
1.1 焙烧的概念
焙烧是指压型⽣制品（⽣坯）在隔绝空⽓的填充料包围中，通过不断地接受外部的热量，使制品中的黏 结剂沥青变成沥青焦，并同时与炭素⾻料颗粒结合成为牢固的⼀体的热处理过程。
1.2 焙烧过程的⼏个重要步骤
1）装炉前准备：检查炉⼦状况，在规定的时间周期内，要对其进⾏预防性的维护，满⾜装炉要求。
2）填充料准备：加⼯合格的填充料，通过机械将其填满⽣制品周围的空隙，避免在加热循环过程中，当⽣制品内的沥青变成液体时，制品发⽣变形。
3）装炉：通过机械将⽣制品装⼊焙烧炉炉箱内的指定位置。
4）加热：通过燃料的燃烧将其产⽣的热量间接传递给制品本⾝，使其连续不断地受热。
5）冷却：按要求逐步减⼩燃料的供给，以减少对炉内热量的供应；当焙烧过程结束后，通过强制风冷逐渐将炉内的温度降到 400 ℃，然后再⾃然冷却⾄环境温度。
6）出炉：采⽤机械将炉箱内产品周围的填充料清除和移⾛，然后将产品从炉箱内移出⾄清理场地，进⾏产品表⾯粘附填充料的清理。
7）检查：⽤⾁眼检查产品表⾯，并通过锤击回声法判断内部结构缺陷。
2 焙烧炉炉型的⽐较
为适应对不同尺⼨及品种的产品进⾏焙烧，设计了不同类型的炉⼦及控制系统，在提⾼⽣产率、降低燃料消耗、控制排放物及提⾼质量的基础上，开发出了各种各样的焙烧炉。发展到⽬前，焙烧炉的主要炉体型式有：带盖式环式焙烧炉、敞开式环式焙烧炉、车底式焙烧炉、隧道窑等。
当前，在传统炉型的基础上，敞开式环式焙烧炉⼜得到了新的改进，即在每个炉箱上增加了⼀个轻质的保温盖，并对燃烧喷嘴结构进⾏了改进，这不仅有效解决了废⽓的⽆组织排放问题，还实现了燃烧系统的低氮燃烧效果。以上4种类型是现在主流的焙烧炉炉型，它们的优缺点如表1所⽰。
3 焙烧升温全过程的机理分析
对⼀次焙烧⽽⾔，不论外燃式环式焙烧炉（敞开式环式焙烧炉），还是内燃式环式焙烧炉（带盖式环式焙烧炉）以及车底式焙烧炉，都是将燃料燃烧后产⽣的热量传导给耐⽕砖或容器焙烧的钢桶，然后再由耐⽕砖或钢桶传递给填充料，最后由填充料将热量传递给⽣制品，当⽣制品⾃⾝感受的温度超过黏结剂沥青的软化点时，⽣坯由玻璃态先软化⽽后变成熔融状态，恰好在周围填充料的挤压下，使其保持原有的⼏何形状。
合成氨工艺流程⼀⽅⾯，随着温度的逐步升⾼，黏结剂沥青⾸先发⽣物理性的横向浸润和纵向重⼒迁移，如果选⽤的黏结剂为中温沥青，其发⽣的物理性迁移较选⽤⾼软化点的改质沥青黏结剂要更⼤⼀些。因此，选⽤⾼温改质沥青代替中温沥青做黏结剂，是提⾼产品质量的有效措施。温度的继续升⾼，黏结剂沥青开始发⽣分解和聚合反应，轻质挥发物的排出量逐渐增加，重质残留物同时也在不断地发⽣聚合反应，⽣制品的总体积在径向和纵向上发⽣膨胀，同时也发⽣收缩。实践证明，⽣制品纵向膨胀量略⼤于径向膨胀量，所以焙烧品上端的机械强度要低于下端的机械强度，这与沥青迁移有着直接关系，⽽选择⾼温改质沥青黏结剂可以改善这种状况。
另⼀⽅⾯，填充料的弹性、透⽓性、吸附性在焙烧过程中也起着⾮常重要的作⽤。适当地降低填充料的吸附性和透⽓性，或者在保温料上⽅加耐⽕砖，有利于提⾼黏结剂沥青的结焦值。如果填充料的种类确定，则取决于填充料的粒度组成。如果填充料过细，⼤规格⽣制品挥发物排出受阻太⼤，将会导致制品产⽣裂纹。因此，填充料的吸附性和透⽓性要控制在⼀个适宜的范围之内，在制品的径向膨胀
⼒与⽣制品表⾯的机械强度达到动平衡状态下，实现最⼤程度地提⾼结焦值。当然，这种动态平衡与升温速率密切相关，为了有效地提⾼焙烧产品的机械强度和密度，必须确保填充料的粒度组成与制品规格、升温速率实现合理的匹配。
焙烧⼯艺的选择和控制⾮常重要，因为它直接决定着最终产品的结构、性能以及产品⽣产周期的长短。在焙烧过程中，伴随着化学反应与质量、热量和动量的转移，三相系统经历了⼀系列连续的不等温相变，使得系统的研究变得⾮常复杂。为了进⼀步厘清焙烧的机理，现将焙烧分成以下⼏个阶段，各阶段有明显不同的现象发⽣。
1）预热阶段：⾃环境温度（25 ℃）升温到 350℃。黏结剂⾃⾝发⽣物理性的变化，即：融化、迁移、浸润、沥青轻组分的蒸发，其外在表现为玻璃态变成了液态，使⽣坯发⽣膨胀。当温度升到200 ℃以上时，黏结剂沥青的黏度将降⾄某⼀最低点，此时黏度作⽤下所构筑结合⼒⽆法⽀撑住黏结剂的内部压强，造成少量轻组分的外逸，形成⽹络状开孔。
2）挥发分⼤量排出阶段：350~450 ℃。黏结剂⾃⾝发⽣化学变化，发⽣分解和聚合反应，沥青中的轻组分慢慢逸出，并形成⽓泡，之后产⽣的⼤量挥发⽓体都是聚集在之前形成的⽓泡核周围，并围绕着它形成微泡。如果升温速度过快，形成的微泡在⽓泡内外压⼒和表⾯张⼒的共同作⽤下逐渐长⼤，⽽成为⼤⽓泡。
若形成⽓泡核的温度较⾼，此时⽓体在沥青熔体中的溶解度下降，到达溶解饱和的时间将缩短，沥青裂解加速，产⽣的⽓体量增加。但是，温度继续升⾼，将导致沥青熔体黏度减⼩，⽓泡核长⼤阻⼒将减⼩。这个阶段制品总的外在变化表现为外表⾯有⼤量的⽓泡逸出。
所以，该阶段升温速率的控制⾮常关键，升温速率的选择要避免沥青轻组分的过分挥发。合理控制转化过程的温度、升温速率，减缓反应速率，使聚合脱氢减缓，实现制品的缓慢固化，有利于得到结构均匀的焦炭（架桥焦）。
3）黏结剂形成半焦阶段：450~550 ℃。制品中的黏结剂⾃⾝发⽣分解和聚合反应。该阶段在分解反应的同时，不断发⽣缩聚反应，随着反应的加剧，熔体的黏度逐渐上升，轻质挥发物上升阻⼒加⼤，使挥发量逐渐减⼩，同时重质缩合物不断增加。
此外，随着缩聚反应的不断加剧，黏结剂中的重质成分不断聚合成沥青焦，并与制品中的⾻料结合成为⼀体，形成初步半焦，称之为“架桥焦”，因为它的形成把炭素⾻料结合成牢固的⼀体。在这个阶段，如果升温速率过快，将使缩聚反应过于剧烈，造成产品内部结构出现空隙缺陷，难以得到结构均匀的焦炭（架桥焦）。
4）⾼温烧结阶段（半焦成为全焦阶段）：550~850℃。随着温度的进⼀步升⾼，半焦继续焦化，随之结构进⼀步发⽣变化，内部发⽣脱氢反应，产⽣氢⽓和甲烷，形成更⼤分⼦量的⽹格炭结构。该结构
的形成使焦炭更加牢固稳定，形成
变化，内部发⽣脱氢反应，产⽣氢⽓和甲烷，形成更⼤分⼦量的⽹格炭结构。该结构的形成使焦炭更加牢固稳定，形成与⾻架颗粒同质的焦炭。
5）冷却阶段：850 ℃⾄环境温度（25 ℃）。结束焙烧升温，并恒温⼀定时间后，按照规定的降温速率，使制品逐渐冷却⾄400 ℃，然后再由400 ℃⾃然冷却⾄环境温度（25 ℃）。
由于温度的降低，制品内将发⽣收缩，为此，必须控制好冷却速率，以避免裂纹的产⽣。裂纹产⽣的原因，主要是由于制品外壳收缩速率⼤于其中⼼收缩速率，导致制品产⽣的合外应⼒向外并超出了制品外壳的机械强度⽽造成的。
4 焙烧品质量特征参数与温度之间的关系
焙烧最核⼼的⽬标是将黏结剂最⼤程度转变成沥青焦，并使其与⾻料牢固结合成为⼀体。焙烧品的内在质量，主要通过以下⼏个指标来表征，即焙烧品的电阻率、体积密度、抗压强度、挥发分含量及质量损失，其与温度之间的关系见图1。从图1中可以看出焙烧品的各理化指标随着焙烧温度的变化⽽变化的趋势。
4.1 影响焙烧品质量指标的因素分析
焙烧品的理化指标能间接反映其产品的内在质量，结合前述的趋势图和具体理化指标，对焙烧产品质量的影响因素作以下分析：
1）电阻率：它的⾼低直接反映焙烧的最⾼温度。若焙烧温度低，产品的电阻率⼤，焙烧品的颜⾊发⿊暗⾊，锤击回声发闷声。电阻率⾼意味着制品中的黏结剂烧结成的焦多为半焦，⽽没有完全转化为焦炭。这种情况，可能会导致制品在⽯墨化过程中出现裂纹废品。
2）挥发分含量：它的⾼低也直接反映焙烧的最⾼温度，与电阻率是伴⽣的关系。挥发分⾼说明黏结剂转变为焦炭不完全，⼤部分只形成了半焦，很多残余重质成分未转化为半焦，更谈不上焦炭，这也就意味着焙烧温度偏低，造成了后续⼯序⽣产中如浸渍后⼆次焙烧产⽣裂纹废品。因为在⼆次焙烧缩合反应过程中制品的内外收缩量不⼀致，造成制品内部的合外应⼒⼤于外壳的机械强度⽽产⽣裂纹。
3）体积密度：它的⾼低不仅反映了焙烧的最⾼温度，⽽且还与焙烧升温全过程的各阶段升温速率，以及所选⽤黏结剂沥青的种类及其指标有关。要控制好升温速率，降低沥青的裂解速度，减少轻组分物质分解速度和逸出速度，最⼤限度地使黏结剂变成沥青焦，尽量控制重质组分因产⽣⽓泡⽽形成开⽓孔和闭⽓孔的结构，使最终形成的焦炭⽓孔率⾼⽽影响体积密度。若出现体积密度低的废品，会被迫重新增加浸渍次数。如果直接进⼊下道⼯序，最终这样的产品在电炉炼钢时，可能造成消耗过快或开裂和掉渣。
4）抗压强度：它的⾼低直接与焙烧温度和升温速率的控制有关，同时还与使⽤的黏结剂有关，特别是与黏结剂组分中的β树脂含量有关。焙烧要使黏结剂变成焦炭，必须控制好升温速率，减少轻组分的过分产⽣并控制它的逸出，使重质组分尽可能结焦成焦炭。实践证明，使⽤不同黏结剂，其焙烧后的结焦值是不同的，中温沥青焙烧后的结焦值⼀般在50%左右，体积密度在 1.57 g/cm3 左右，⽽改质沥青焙烧后的结焦值⼀般在 55%~57%，体积密度会更⾼⼀些。
如果抗压强度低，可能造成最终成品电极在电炉炼钢过程中开裂掉块，所以必须重视这⼀指标。如果使⽤改质沥青，并且在压型⼯序的配料、混捏环节，采取相应的措施后，焙烧后的体积密度可以达到1.65 g/cm3。改质沥青的优点不仅是结焦值⾼，⽽且富含β树脂，对炭素⾻料的结合⼒强，有利于提⾼机械强度，⽆论是在抗压或抗折⽅⾯都是有利的。
4.2 焙烧炉温度场的优化依据
焙烧的核⼼是黏结剂转变成沥青焦，实现黏结剂的⾼结焦值，并且要得到结构均匀且牢固的沥青焦(架桥焦)，其开⽓孔和闭⽓孔产⽣率要低，成焦的焦轴微观形态长宽⽐要⼤，易于⽯墨化。要达到这些效果，就需要建⽴⼀个合适的焙烧温度场，即向着等温蓄热式温度场⽅向优化。
摇臂式喷头理想的温度场模型如图 2 所⽰
文蛤刃理想的温度场模型如图 2 所⽰
图2 中各点位置的温度存在如下关系：A、B、 C、D、E、F、G、H、t 上、t 下等 10 点位置的温度，⽆论⽔平⽅向还是垂直⽅向，其温差基本⼀致。
⽣制品被填充料包围，并⼀同置于炉箱内，在理想状态下，⽣制品、填充料、炉箱三者形成等温蓄热体，随着外部热量传导进⼊，三者按等速率升温。但现实中，恒温场是不存在的，随着炉型⼤⼩、炉
箱深度和炉体结构的不同，以及升温曲线、系统负压、燃料种类、喷嘴型式、控制系统的不同，形成不同的温度场，⽬标是追求合理适宜的温度场。
焙烧炉温度场的实物载体是由炉箱、箱内制品和填充料组成，这三者通过热传导的⽅式把热量蓄集起来，形成了⼀个蓄热整体，要使这个蓄热整体在时间梯度上，三维空间温差尽可能⼩，因此，制订焙烧曲线需要从以下⽅⾯进⾏考虑和优化：
1）必须依据所⽤黏结剂的失重曲线，也就是其物理及化学反应规律；
2）依据所焙烧的⽣坯的压制⽅式、种类和规格；
3）依据所选⽤焙烧炉的结构特点；
4）依据所使⽤填充料的种类和特性；
5）依据所使⽤的燃料及其特性；
6）依据所使⽤燃烧器的性能及温度场的控制系统；
7）依据焙烧炉系统的负压分布及氧含量浓度的控制效果。
综上所述，从以上诸⽅⾯采取相应的改进措施，优化温度场，以实现温度场的适宜性，并以优化后的温度场进⾏严格控制，可使焙烧系统良好地运⾏，得到预期的合格焙烧产品，并合理利⽤产能，实现吨产品能耗在合理可控的理想范围。
5 结束语
折流板除雾器对既定的焙烧系统，依据优化焙烧温度场原则，并结合分析结果，采取相应的改进措施，制订合理的焙烧温度曲线，严格遵循⼯艺制度进⾏操作，就可以保证⽣产出预期合格的焙烧产品。同时，通过合理利⽤产能，实现吨产品能耗在合理可控的理想范围，并对焙烧炉尾⽓实施先进科学的有效环保治理措施，就能实现合格排放的效果，以达到安全、环保、节能、⾼效、智慧、绿⾊⽣产的⽬标。
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