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國(guó)內(nèi)外等靜壓石墨產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀分析
2017-09-19 09:56:00
關(guān)鍵詞:等靜壓石墨產(chǎn)業(yè)

國(guó)內(nèi)外等靜壓石墨產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀分析.jpg

  等靜壓石墨是上世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型石墨材料,具有一系列優(yōu)異的性能。與普通石墨相比,結(jié)構(gòu)精細(xì)致密,而且均勻性好;熱膨脹系數(shù)很低,具有優(yōu)異的抗熱震性能;各向同性; 耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng),導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能良好; 具有優(yōu)異的機(jī)械加工性能。正是由于具有這一系列的優(yōu)異性能,等靜壓石墨在冶金、化學(xué)、電氣、航空宇宙及原子能工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

  作為全球制造業(yè)大國(guó)和最大的光伏產(chǎn)品生產(chǎn)國(guó),中國(guó)一直保持巨量的等靜壓石墨需求。近年來(lái),隨著國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,中國(guó)等靜壓石墨需求量逐年擴(kuò)大。同期,由于中國(guó)等靜壓石墨生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱,加上國(guó)外企業(yè)的技術(shù)封鎖,中國(guó)等靜壓石墨產(chǎn)量和質(zhì)量均未得到有效提升。

  2012年,全球光伏產(chǎn)業(yè)遭遇嚴(yán)重的產(chǎn)能過(guò)剩危機(jī),盡管等靜壓石墨行業(yè)由于新增產(chǎn)能較多產(chǎn)量依然保持了增長(zhǎng),但是企業(yè)的盈利能力大幅下滑。2013年,中國(guó)出臺(tái)了一系列刺激政策,使得光伏產(chǎn)業(yè)逐步回暖,進(jìn)而保持了對(duì)等靜壓石墨的需求的增長(zhǎng)。2015年,全球等靜壓石墨產(chǎn)量達(dá)到10萬(wàn)噸左右。

  2017年,中國(guó)等靜壓石墨需求量達(dá)1.8萬(wàn)噸,而同期等靜壓石墨產(chǎn)量?jī)H為9500噸,供應(yīng)缺口達(dá)8500噸。目前,中國(guó)新涉足等靜壓石墨業(yè)務(wù)企業(yè)普遍存在的技術(shù)儲(chǔ)備不足及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理等問(wèn)題很難短期內(nèi)得到解決。

  一、關(guān)于等靜壓的幾個(gè)概念

  1.1、等靜壓與等靜壓成型

  等靜壓:是指在各個(gè)方向上對(duì)經(jīng)過(guò)密封的物料同時(shí)施加相等的壓力狀態(tài);

  等靜壓成型:是將待壓物料經(jīng)過(guò)密封后置于高壓容器中,利用液體介質(zhì)不可壓縮的性質(zhì)和均勻傳遞壓力的性質(zhì)從各個(gè)方向?qū)ξ锪线M(jìn)行均勻加壓,當(dāng)液體介質(zhì)通過(guò)壓力泵注入壓力容器時(shí),根據(jù)流體力學(xué)原理,其壓強(qiáng)大小不變且均勻地傳遞到各個(gè)方向,因此高壓容器中的粉料在各個(gè)方向上受到的壓力是均勻的和大小一致的。采用上述方法使粉料致密成坯體的方法稱為等靜壓成型。

  1.2、等靜壓石墨:

  等靜壓石墨是指采用等靜壓成型方式生產(chǎn)的石墨材料。等靜壓石墨由于成型過(guò)程中通過(guò)液體壓強(qiáng)均勻不變施壓,制得的石墨材料性質(zhì)優(yōu)異,具有:成型規(guī)格大;坯料組織結(jié)構(gòu)均勻;密度高,強(qiáng)度高;各向同性(特性與尺寸、形狀、取樣方向無(wú)關(guān))等優(yōu)點(diǎn),因此等靜壓石墨也稱為“各向同性”石墨。

  二、等靜壓石墨的特點(diǎn)

  等靜壓石墨除具有一般炭石墨材料的優(yōu)異性能外,又區(qū)別于一般的高純石墨,其主要特點(diǎn)是:

  2.1 細(xì)結(jié)構(gòu)

  作為結(jié)構(gòu)材料,要求有較高的機(jī)械性能。 構(gòu)成炭石墨材料的基礎(chǔ)炭顆粒結(jié)構(gòu)越細(xì),則其質(zhì)地越致密,機(jī)械強(qiáng)度亦越高。國(guó)內(nèi)目前冷壓石墨制品(高純、等靜壓石墨)一般采用的顆粒結(jié)構(gòu)為-325目(0.044 mm)約為80%,沒(méi)有測(cè)定平均顆粒尺寸,估計(jì)在 30μm左右。 炭質(zhì)骨料的顆粒越細(xì),在混合時(shí),配方中的黏結(jié)劑用量也就越多。這是因?yàn)轭w粒越細(xì),表面積越大,黏結(jié)劑要均勻地包覆在每個(gè)顆粒表面,為此這便給燒結(jié)工序造成了困難(開(kāi)裂)。

  2.2 大規(guī)格

  采用模壓法制造較小規(guī)格 (Φ350 mm 以下)制品國(guó)內(nèi)已有50年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),比較成熟。 但近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品尺寸規(guī)格的要求越來(lái)越大。 大規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)中出現(xiàn)的主要問(wèn)題是焙燒開(kāi)裂,規(guī)格越大,焙燒開(kāi)裂的幾率也就越高。

  2.3 各向同性

  傳統(tǒng)的炭石墨制品,無(wú)論是冷模壓還是熱擠壓產(chǎn)品,均存在著明顯的各向異性,即垂直于壓力方向和水平于壓力方向的性能不同。 這種差異比,一般在1∶1.2以上,因此稱為各向異性。 在許多情況下,這種差異被充分利用,而且差異越大越好。如煉鋼用石墨電極,電機(jī)用電刷等。造成這種差異是因?yàn)樗褂玫脑希缡徒埂r青焦、天然石墨粉等,因煉焦工藝、粉末制備方式等不同,粉末的外觀形狀是不規(guī)則的。 換句話說(shuō)其長(zhǎng)與寬的方向比不是1, 是不對(duì)等的。那么在壓制成型時(shí),受壓力影響,這些顆粒便會(huì)有序排列。在冷模壓時(shí),顆粒方向易于水平方向排列,從而造成產(chǎn)品的各向異性。

  三、等靜壓石墨的生產(chǎn)工藝

  等靜壓石墨的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。等靜壓石墨需要結(jié)構(gòu)上各向同性的原料,需要將原料磨制成更細(xì)的粉末,需要應(yīng)用冷等靜壓成型技術(shù),焙燒周期非常長(zhǎng),為了達(dá)到目標(biāo)密度,需要多次的浸漬—焙燒循環(huán),石墨化的周期也要比普通石墨長(zhǎng)得多。

  其中,等靜壓成型環(huán)節(jié)至關(guān)重要,決定了等靜壓石墨的質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)炭素企業(yè)生產(chǎn)的等靜壓石墨直徑?jīng)]有國(guó)外炭素企業(yè)大,其原因就是和等靜壓成型環(huán)節(jié)相關(guān)。

  四、國(guó)內(nèi)外企業(yè)生產(chǎn)等靜壓石墨現(xiàn)狀

  1.國(guó)外企業(yè)生產(chǎn)等靜壓石墨現(xiàn)狀

  俄羅斯、波蘭:兩個(gè)國(guó)家等靜壓石墨研制水平相當(dāng),后者研制時(shí)間大約晚了20年,由于投入不足,產(chǎn)品質(zhì)量水平,遠(yuǎn)落在:美、德、法、日以及中國(guó)等國(guó)后面,尚處于研制完善階段。

  日本:日本很重視等靜壓石墨研制。

  目前,日本等靜壓石墨在產(chǎn)量、質(zhì)量、品種、規(guī)格以及拓展應(yīng)方面均達(dá)到了世界先進(jìn)水平,主要表現(xiàn)在:從事等靜壓石墨研制的企業(yè)最多,產(chǎn)品品種最多,產(chǎn)品規(guī)格最大,最廣:日本的等靜壓石墨不僅應(yīng)用于半導(dǎo)體、太陽(yáng)能、冶金、機(jī)械加工、原子能等工業(yè),還推廣應(yīng)用到生物工程與電機(jī)制造等領(lǐng)域。

  全球等靜壓石墨生產(chǎn)企業(yè)主要為日本和歐美企業(yè),產(chǎn)能在1萬(wàn)噸以上的包括日本TOYO TANSO、日本Tokai、德國(guó)SGL、法國(guó)Mersen和日本IBIDEN,其中SGL、Mersen和TOYO TANSO在中國(guó)設(shè)有生產(chǎn)基地。

  2.國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)等靜壓石墨現(xiàn)狀

  國(guó)內(nèi)等靜壓石墨(各向同性石墨)研制情況60年代初我國(guó)開(kāi)始了等靜壓技術(shù)的研究,對(duì)碳、石墨等多種粉末進(jìn)行了試制研究工作。據(jù)初步統(tǒng)計(jì),目前國(guó)內(nèi)涉及等靜壓石墨研制和生產(chǎn)的企業(yè)約有:能自主生產(chǎn)的企業(yè)(9家)

  成都炭素有限責(zé)任公司;方大炭素新材料科技股份有限公司;四川林鳳控股股份有限公司;哈爾濱電碳有限責(zé)任公司;中鋼集團(tuán)吉林炭素有限責(zé)任公司;中鋼集團(tuán)上海碳素廠;河南省特種熱工爐材有限公司;平頂山天寶碳素制造有限公司;汶川科信電碳有限責(zé)任公司;(汶川科信電碳有限責(zé)任公司僅有石墨化工序其他工序均為租賃設(shè)備生產(chǎn));以上9家公司中,以成都炭素有限責(zé)任公司產(chǎn)品產(chǎn)量和規(guī)格品種最多。

  3.國(guó)內(nèi)外等靜壓石墨行業(yè)的差距

  縱觀國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品質(zhì)量情況,特別是用戶反饋信息,使我們認(rèn)識(shí)到,與國(guó)外各名廠家比,我們還有較大的差距,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

  (1)產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度有待提高

  炭石墨制品屬于脆性材料,機(jī)械強(qiáng)度受到一定的制約,但它確是重要指標(biāo)。使用單位對(duì)此有比較嚴(yán)格的要求,同時(shí)與國(guó)外產(chǎn)品相比,確實(shí)存在較大的差距。  

  提高產(chǎn)品的體積密度是提高機(jī)械強(qiáng)度的有效措施之一,但它是有極限性的。為進(jìn)一步提高機(jī)械性能,需要采取綜合措施。

  (2)灰分有待降低

  炭石墨制品的灰分(雜質(zhì))含量,是個(gè)重要技術(shù)指標(biāo),每種產(chǎn)品都有較明確的要求。 對(duì)等靜壓石墨而言,更是如此。因?yàn)樗鄶?shù)使用在高溫或者真空的條件下,為防止灰分對(duì)周圍環(huán)境和產(chǎn)品的污染,對(duì)灰分含量的要求往往更加嚴(yán)格。在特殊條件下,不僅對(duì)灰分含量有要求,對(duì)灰分中的成分也有要求。

  炭石墨材料的許多性能與石墨化度有關(guān),石墨化度越高,則導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能越好,熱穩(wěn)定性、抗氧化性能、防腐蝕性、潤(rùn)滑性等越高。石墨化度與灰分緊密相聯(lián),一般來(lái)說(shuō)都是由石墨化最高溫度決定的。也就是說(shuō),在相同工藝條件下,石墨化溫度越高,則灰分含量越低,石墨化度越高。

  (3)品種有待發(fā)展

  等靜壓石墨的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣,使用工況條件又是千差萬(wàn)別,對(duì)石墨材料的要求,便有側(cè)重,為此不能一個(gè)品種打天下,以不變應(yīng)萬(wàn)變,發(fā)展品種便是當(dāng)務(wù)之急。

  炭石墨材料在真空或者保護(hù)性介質(zhì)中,可以穩(wěn)定地工作,最高可耐3000 ℃。但在現(xiàn)實(shí)中有許多場(chǎng)合,要求它在空氣中高溫條件下工作,如連鑄石墨、提純鋁用電極等。我們知道炭石墨材料的最大缺陷,便是高溫氧化。

  為提高使用壽命,

  其一是提高炭材料基體的抗氧化性,

  其二是進(jìn)行防氧化處理,如表面涂層、等離子噴涂、化學(xué)氣相沉積、固相浸漬等。

  炭石墨材料在高溫使用條件下,經(jīng)受高溫的劇烈變化而不被破壞的性能,稱為抗熱震性,或者稱為熱穩(wěn)定性。對(duì)此炭石墨是較好的材料,但也有一定的限制。

  (4)產(chǎn)品規(guī)格有待提高

  如前所述,隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,對(duì)等靜壓石墨的尺寸規(guī)格也要求向大規(guī)格發(fā)展。 國(guó)內(nèi)等靜壓機(jī)的缸體直徑由前幾年的Φ 850 mm發(fā)展到近年來(lái)多家購(gòu)置缸體為Φ 1250 mm(最大達(dá)到2150 mm)的等靜壓機(jī),使制造Φ1000mm和更大規(guī)格等靜壓石墨成為可能。 產(chǎn)品向大規(guī)格發(fā)展,除了硬件(等靜壓機(jī)、焙燒爐等)外,最大的瓶頸是制造工藝,防止產(chǎn)品焙燒開(kāi)裂是關(guān)鍵,值得同行們深入研究。

稿件來(lái)源: 石墨邦
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