1. Этап низкотемпературного предварительного нагрева (от комнатной температуры до 350℃)
Когда фактическая температура нагрева заготовки достигает 100-230 градусов Цельсия, заготовка начинает размягчаться, внутренние напряжения спадают, объем немного увеличивается, но выделяется незначительное количество летучих веществ, и заготовка переходит в пластическую стадию. На этом этапе основная функция заключается в предварительном нагреве углеродной заготовки. Из-за разницы температур и давлений внутри заготовки некоторые легкие компоненты асфальта мигрируют, диффундируют и текут. По мере дальнейшего повышения температуры до 230-400℃ скорость разложения асфальта постепенно ускоряется. Особенно в диапазоне температур 350-400℃ асфальт разлагается интенсивно, и выделяется большое количество летучих веществ. На этом этапе необходимо контролировать скорость нагрева, чтобы предотвратить резкое повышение температуры, вызывающее концентрацию внутренних напряжений, и одновременно избежать быстрого выделения летучих веществ, которое может привести к образованию трещин в углеродной заготовке.
2. Стадия среднетемпературного коксования (от 350℃ до 800℃)
Когда фактическая температура нагрева заготовки достигает 400-550℃, скорость разложения и испарения асфальта замедляется, переходя в стадию, в которой преобладает реакция поликонденсации. При высоких температурах асфальт подвергается термическому разложению и поликонденсации с образованием полукокса. На этом этапе количество выделяемых летучих веществ уменьшается, а объем заготовки изменяется от расширения к сжатию. Когда фактическая температура нагрева заготовки достигает 500-700℃, полукокс, образованный из асфальта, далее превращается в вяжущий кокс (асфальтовый кокс), количество летучих веществ, выделяемых при разложении асфальта, еще больше уменьшается, и углеродная заготовка продолжает сжиматься. На этом этапе асфальтовое вяжущее превращается в вяжущий кокс, и теплопроводность углеродной заготовки увеличивается. Эта стадия является решающей и влияет на качество обжига. Вяжущее подвергается большому количеству сложных реакций разложения, полимеризации, циклизации и ароматизации. Разложение связующего и реполимеризация продуктов разложения происходят одновременно, образуя промежуточную фазу. Рост промежуточной фазы приводит к образованию прекурсоров. При 400℃ продукт начинает коксоваться, но прочность все еще очень низкая, а адгезия асфальта снижается. Примерно при 500℃, хотя еще присутствует небольшое количество летучих веществ, основная структура углерода уже сформирована. Полукокс образуется при 500–550℃, а летучие вещества, образующиеся при термическом разложении асфальта, в основном удаляются до 600–650℃. Кокс образуется при 700–750℃. Для увеличения степени коксования асфальта и улучшения физико-химических свойств продуктов на этом этапе необходимо равномерно и медленно повышать температуру. Кроме того, на этом этапе удаляется большое количество летучих веществ, заполняя всю камеру печи. Эти газы разлагаются на поверхности горячих продуктов, образуя твердый углерод, который осаждается на порах и поверхности продуктов, увеличивая выход кокса и герметизируя поры продуктов, тем самым повышая их прочность. Наиболее заметной особенностью реакции на этом этапе является полимеризация и разложение функциональных групп и постепенное увеличение содержания водорода в отходящем газе.
3. Этап высокотемпературного спекания (от 800℃ до 1200–1350℃)
Когда температура продукта превышает 700℃, процесс коксования связующего вещества в основном завершается. На стадии высокотемпературного спекания скорость нагрева может быть несколько увеличена. После достижения максимальной температуры необходимо поддерживать её в течение 15-20 часов. В процессе коксования образуются крупные ароматические плоские молекулы. Периферийные разнородные атомы и атомные группы плоских молекул разрушаются и удаляются. По мере повышения температуры плоские молекулы претерпевают перестройку. При температуре выше 900℃ атомы водорода на краях постепенно разрушаются и удаляются. Одновременно с этим кокс связующего вещества дополнительно сжимается и уплотняется. На этом этапе химический процесс постепенно ослабевает, внутренняя и внешняя усадка постепенно уменьшается, в то время как истинная плотность, прочность и электропроводность увеличиваются.
4. Этап охлаждения
В процессе охлаждения скорость охлаждения может быть немного выше скорости нагрева. Однако из-за ограничений теплопроводности изделия скорость охлаждения внутри изделия меньше, чем на поверхности, что приводит к образованию температурных градиентов и градиентов термических напряжений различной величины от центра к поверхности изделия. Если термическое напряжение слишком велико, это вызовет неравномерную внутреннюю и внешнюю усадку и приведет к образованию трещин. Поэтому охлаждение также должно проводиться контролируемым образом. На этапе охлаждения применяется градиентное охлаждение. Скорость охлаждения в областях с температурой выше 800℃ не должна превышать 3℃/ч, чтобы избежать образования трещин, вызванных быстрым охлаждением. Температура, при которой изделия выходят из печи, должна быть ниже 80℃. При использовании системы охлаждения распыленной водой температура воды должна стабильно поддерживаться на уровне 40℃±2℃, чтобы предотвратить повреждения от термического удара.
Дата публикации: 11 июня 2025 г.