炭材料石墨化的应用探究

朱 峰

(铁法煤业集团铁强环保材料股份有限公司，辽宁 调兵山 112700)

1 新型炭材料发展背景

炭材料又称炭素材料，包括以炭和石墨为原料生产的材料。炭材料分为普通炭材料和特种炭材料，从发展的时间上又分为传统炭材料和新型炭材料。新型炭材料是通过应用新技术开发出来的具有超过传统炭材料理化性能的新材料和以炭元素开发出来的新材料，以及炭材料与其它材料复合得到的新材料。近些年发展的新型炭材料种类很多，其中具有代表性的有炭纤维、等静压石墨、核石墨、锂电池负极材料、柔性石墨、炭纤维复合材料、热解石墨、石墨稀、高导热石墨、热解石墨、超高功率石墨电极等。新型炭材料具有耐高温、高导电、低体密、高强度、各向异性和各项异性、耐腐蚀、自润滑及优越的电子性能等特性，引起了世界各行业的高度重视，近几年开发出了很多产品，越来越广泛地应用于核电、汽车、航空航天、冶金、化工、机械、医疗、电子等行业，已成为现代化工业技术中不可缺少的一种非金属材料。所以新型炭材料又被称为“黑色的金子”，被公认为21世纪最有发展潜力的新材料之一。因此新型炭材料对于我国科技的进步和国民经济的发展有重要意义。我国新型炭材料工业起步较晚，无论技术水平和产量与发达国家相比都有较大差距。所以新型炭材料产业已被列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。

新型炭材料是工业部门及高科技领域中的重要原材料，具有耐高温、耐高压、耐腐蚀、良导电性、性能稳定等特点。近年来，伴随着科技进步，该材料以其优异的性能受到了越来越多人的青睐，广泛应用于钢铁、冶金、机械、电机、化工、建材、电气、电子、航空、航天、军事以及核工业等领域。新型炭材料在太阳能光伏发电领域的应用主要集中在多晶硅原材料制造、单晶硅棒拉制以及多晶硅锭铸造等环节，是太阳能光伏发电行业发展的产业基础，两者共生共荣。在太阳能光伏发电行业的推动下，国内外市场对新型炭材料制品的需求量逐年扩大，新型炭材料制品有着很好的发展前景和潜力。

近些年，我国新能源、新材料产业的发展得到高度重视，光伏产业和新能源电动汽车产业发展迅猛，导致优质新型炭材料需求增加，为新型炭材料的发展提供了广阔空间。同时伴随着我国经济的快速发展和科技水平的提高，新型炭材料在军工、飞机、汽车、高铁、核工业、电子等工业领域的快速推广应用，新型炭材料作为一种新兴工业产品，迎来了新的发展机遇。另外随着新型炭材料的技术进步和成本的降低，在民用产品领域也有着广阔的市场空间。据不完全统计,目前国内市场每年新型炭材料需求量约10万t，并以每年20%以上的速度增长，预计到2020年将达到60万t以上，产值达到500亿元～700亿元。

辽宁省是优质人造石墨原材料的生产大省，抚顺石化公司和葫芦岛石化公司生产的石油焦销往全国各地。借助原材料优势，近些年已形成了石墨电极产品、石墨原料加工、石墨电极加工为主的产业集群，以辽宁方大集团为代表的炭材料企业已达40多家。据行业统计2013年，炭材料制品产量已达150多万t，年产值超过百亿元，为辽宁地方经济的发展做出了重要贡献。但目前产品以低端、低附加值的产品为主，如何利用本地区优势，提高技术水平、提高产品质量，提高企业竞争力成为行业发展必须解决的问题。该项目利用辽宁省原材料优势，依托调兵山市煤炭电力和瓦斯燃气能源优势及沈阳理工大学炭材料科研和技术、人才优势，充分整合优势资源，发展新型炭材料产业。该项目的建设对于带动辽宁省炭材料集群产业的发展和区域经济建发展设具有深远意义。它的建成对于我国新型炭材料行业的发展、战略新兴产业的发展和科技进步具有重要意义。不仅能为企业创造一定的经济效益，同时也带来可观的社会效益。

2 项目建设基础条件及建设规模

项目拟选址位于辽宁省调兵山市北工业园区，调兵山市位于辽宁省北部。地理位置在东经123°27'3至123°41'52，北纬42°20'31至42°33'19之间。东西宽20.6 km，南北长23.7 km，调兵山市东距铁岭市35 km，西距法库县城15 km，西北距康平县城44 km，南距省城沈阳90 km，与京哈高速公路35 km，距沈阳桃仙机场只有110 km的距离，距大连港443.4 km，营口港300 km。交通便捷，环境质量良好，基础设施条件齐备，建设条件良好。工业园区内已建有完善的公用工程设施，可满足本项目的要求。

根据市场需求，可建设年产40 000 t新型炭材料生产线，总用地面积20 000 m3，建设石墨化车间、机加工车间、库房以及研发建筑等共计12 694 m3。购置新型炭材料生产所需石墨化提纯炉、机加工设备等生产设备24台(套)，形成40 000 t新型炭材料的生产能力，同时建设供配电、给排水、消防等配套设施。

3 技术原理与工艺流程

石墨化是将经过800 ℃焙烧过的电极毛坯装入内串石墨化炉中，周围填充料(煅后石油焦)保温并隔绝空气。再通电加热，将制品加热到2 800 ℃～3 000 ℃，制品中在高温隔绝氧气状态下，发生晶格转变，由碳转化成石墨的过程。

石墨化即将焙烧品通电使炭完成向石墨的转变过程。机加工是为了便于电弧炉使用操作，加工符合用户需求的产品。工艺流程图如图1。

图1 石墨化工艺流程

4 工艺消耗定额

4.1 新型炭材料

新型炭材料的生产规模为40 000 t/a，所需主要原料如表1所示。

表1 主要原料

4.2 动力消耗定额

新型炭材料的生产规模为40 000 t/a，所需主要原料如表2所示。

表2 主要原料

5 项目能源消耗量

本项目拟建在调兵山市北工业园区，工业园区具有较为完善的公用工程设施，电可直接引入项目界区内，废水可以排至工业园区内污水处理厂。

5.1 项目能源消耗种类

根据《综合能耗计算通则》(GB/T2589-2008)，实际消耗的各种能源指：一次能源、二次能源和生产使用耗能工质所消耗的能源。本项目生产过程中实际消耗的能源品种有电力、水及采暖热力如表3所示。

表3 项目能源消耗种类

5.2 项目能源消耗量(见表4)

表4 项目能源消耗量

5.3 项目节能措施

1) 采用先进加工制造工艺及合理地选用节能设备，使能源的消耗得到有效控制。石墨化工序采用国内领先的内串式石墨化设备。利用石墨化余热加工半石墨化增碳剂。

2) 理顺等各工序的工艺路线，合理布置车间设备、注重前后工序生产线路布局，减少工艺运行中的能耗损失。

3) 合理选用各通用设备及其驱动电机的控制方案。各生产环节、工序、设备之间做到生产能力的平衡，以减少某些设备的无负荷或低负荷运行，合理安排生产各工段的作业班次。

4) 工艺路线尽量缩短，无交叉无逆流，生产装置按照工艺流程布置。

5) 生产线配备有先进的计算机系统，实现了生产过程自动化，并对生产过程科学管理及优化，以节省能耗。

6) 合理控制各台大型非连续性生产设备的开停时间，以均衡各个时间段变压器的负载，杜绝多台同时开启造成变压器的过载。

6 项目风险分析

1) 本项目处于调兵山市北工业园区，所以本项目可以依托工业园区的发展和上游原材料生产企业建立紧密的供求关系，另外，本项目的主要原材料焙烧品由省内供应商生产，确保原材料可以持续供应。所以即使出现原材料市场价格上升的情况，也能有效控制对项目单位的影响，资源风险较小。

2) 本项目产品在国内、国外都是紧俏产品，但受经济型式的影响，产品价格也会随之波动，这对该项目的经济效益会产生一定影响。

3) 近几年来，国内外新建的装置较多，且有继续增加的趋势，而且同行厂家生产技术升级和产品性能也不断提高，虽然本项目所产产品处于供不应求的阶段和时期，但市场经济的运行机制将使产品竞争无界限，因此存在市场饱和等方面的竞争风险，这会对企业的持续发展造成一定的影响。本工程要充分发挥其生产工艺的技术优势、成本优势和价格优势，提高产品的竞争力。以尽量化解潜在的市场风险。

7 结论

1) 项目建设符合国家产业政策及行业规划要求，有利于推动区域战略性新兴产业的发展，为工业制造创新提供新动力，促进经济快速增长和提升企业、地区竞争力，有利于东北老工业基地全面振兴。

2) 项目总投资为5 131万元，其中建设投资4 483.87万元，流动资金647.1万元。

3) 本项目具有良好的经济效益，项目经营期平均年利润总额为1 588.35万元，税后利润为1 191.26万元，所得税397.09万元。

4) 本项目建设起点高，生产工艺先进、可靠，为生产高质量产品提供了坚实保证。

5) 项目注重环保、安全设计，项目建成后对周边生态环境无重大影响。

6) 本项目的建成能够促进地方经济发展，不会对行业产生垄断，有利于推进当地的高端制造业发展。并能为当地提供就业机会，具有一定的社会效益，有利于社会的和谐发展。

本项目符合国家产业发展政策，符合国家、辽宁省及行业的规划要求。本项目的实施市场发展前景良好，产品技术含量高，符合国家、辽宁省及行业相关政策、规划要求，项目建设具有良好的经济效益和社会效益。原料、燃料、能源供应有保障，能充分满足生产需求，实施本项目对企业和国家的经济发展具有积极意义，十分必要。