高温焙烧法制备高纯石墨的试验研究

发布时间：2022-01-04 13:54

　　鉴于当前石墨高温提纯工艺生产周期长、焙烧能耗高、非连续性生产、操作环境恶劣等现状,通过在石墨精矿中添加提纯助剂,改进焙烧工艺,分析相关高温除杂机理,研究了盐矿比、焙烧温度以及恒温时间对石墨烧成纯度的影响。结果表明,在盐矿比1.5%,焙烧温度2 500 ℃,恒温时间4 h的工况条件下,石墨烧成料的固定碳含量可以达到99.991 5%,为石墨高温连续提纯工业化设备的研制提供了最优的设计参数。 

【文章来源】：非金属矿. 2020,43(01)北大核心CSCD

【文章页数】：3 页

【部分图文】：

?高温推板试验炉

表2?无添加氯盐和盐矿比1.5%烧成样品中的主要杂质成分(w/10-6) 烧成样品 Si Fe Al Ca Mg Sb Ti Zr BC-0 2.753 6 6.467 4 1.800 3 1.529 1 1.129 0 6.310 1 14.203 9 6.9431 BC-1.5 ＜1 3.887 5 1.588 7 ＜1 ＜1 2.396 1 9.037 7 3.0825由表2可知,添加了一定比例氯盐试样的烧成样品中主要杂质成分含量相比未添加的烧成样品明显减少,说明氯盐在高温下与石墨中杂质发生某种化学反应,从而有效降低生成物的气化温度,提高石墨提纯效率。从图2可看出,未添加的烧成样品固定碳含量为99.90%,未达到高纯石墨规定的纯度指标,而添加一定比例氯盐的烧成样品固定碳含量明显提高,纯度在99.956 9%～99.995 7%,并且与盐矿比呈正比递增趋势。在盐矿比0～1.5%区间内,烧成样品固定碳占比梯度变化较大,说明试样中盐矿比增加对烧成样品最终纯度的影响较明显。主要原因在于氯盐温升至熔点温度,其在液相条件下具备一定的流动性,氯离子弥散于石墨表面或鳞片间隙中,与石墨精矿中内嵌杂质元素充分融合,随着料层温度进一步升高,氯盐气化蒸汽与部分金属氧化物杂质活化反应生成氯气,在石墨中固定碳参与氯化反应条件下,进而生成沸点较低的金属氯化物或络合物。若反应物质配比在化学反应定量关系范围内,随着盐矿比增加,反应进一步正向进行,在图2中表现出固定碳占比梯度递增较快;而当盐矿比达到一定数值,过量的氯盐将不参与到反应的进程中,对烧成样品纯度的提升作用趋于缓和,而样品中固定碳含量相对增加较少。由于氯盐本身属于外来活化杂质,添加过多非但不能提高提纯功效,反而会因其冗余的气化挥发而增加提纯能耗,同时气态杂质在离开加热区后可能会因温降凝聚在设备或排气管道内壁而影响正常的焙烧工况,排气负荷的增加势必会加快这一过程。

将盐矿比1.5%的试样分别在高温推板试验炉加热区2 300 ℃、2 400 ℃、2 500 ℃、2 600 ℃设定温度下停留5 h,烧成样品固定碳含量,见图3。从图3可看出,烧成样品纯度与焙烧温度呈正比递增关系。2 400 ℃以下焙烧工况,烧成样品固定碳含量低于99.95%,残余杂质相对较多。主要原因一是未达到试样中沸点较高杂质的气化温度,传入料层的热量不足以提供杂质从固态转变为气态所需相变热;二是杂质元素与氯盐之间的融合需达到颗粒基本的扩散激活能,而这与焙烧温度存在很大关系,温度的提高为颗粒扩散和化学反应提供必需能量,反应物质内部颗粒运动加剧及充分混合增大了物质间相互接触的机会,提高了原料样品中杂质与氯盐的高温反应活性,使反应更完全。2 500 ℃和2 600 ℃焙烧温度下,烧成样品固定碳含量分别为99.9940%和99.9955%,固定碳占比梯度变化相比2 300～2 400 ℃烧成区间较平缓,说明2 400 ℃是该条件下烧成样品纯度达标的阈值温度,而2 500～2 600 ℃温度区间内,温升不会显著提升烧成样品纯度。若烧成样品纯度达到99.999%以上,势必要将焙烧温度提高到2 600 ℃以上,而2 600 ℃对于长期运行的高温连续提纯炉是设计温度临界点,加热区温度超过此临界点,即使几十度的温升对设备结构、加热元件、内衬材料等的影响都是几何数量级,存在诸多不可控因素。2.3?恒温时间对石墨烧成纯度的影响?

【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨提纯工艺研究进展[J]. 罗立群,谭旭升,田金星.  化工进展. 2014(08)
[2]感应加热制取高纯石墨研究[J]. 梁刚,赵国刚,王振廷.  炭素技术. 2013(04)
[3]氯化焙烧法提纯天然鳞片石墨工艺研究[J]. 夏云凯.  非金属矿. 1993(05)



本文编号：3568458