碳质材料的热处理制造技术

本发明专利技术涉及炭质材料，尤其是炭黑以等离子工艺热处理以提高毫微组织的排列，即提高炭黑颗粒中石墨化程度的方法。该方法包括提高工业炭黑质量和非石墨碳质材料的质量的等级。该热处理在等离子区中进行，其中控制滞留时间和供入能量以保证碳质材料不升华。从而防止供入等离子区中的碳转变和再形成新的产物。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碳质材料，特别是碳黑的等离子热处理方法，为的是提高碳黑颗粒中的毫微组织的排列，即提高石墨化程度。该方法在于提高工业碳质量等址。该热处理在等离子区中进行，在该区中控制滞留时间和输入功率以保证碳质材料不升华，由此防止碳蒸发及转变成新的产物。碳黑颗粒中的显微组织是由湍流层有序的小微晶面，即绕c-轴旋转，但无序的平行层构成的。随着朝向颗粒中心的无序程序的提高，石墨层集中地朝颗粒的表面，即平行取向地排列。该微晶的三维尺寸分别用Lc、La和d002表示。Lc是c-方向，即高度的微晶尺寸，并且是石墨层的平均堆积高度。La是层的尺寸或延长，并表示每层的平均直径。d002是石墨层之间的距离。用X-射线衍射对以已知常规的方法生产的碳黑所测的微晶三维尺寸列于表1中。X-射线衍射确定的碳黑的组织性能(nm)。表1质量La Lcd002标准石墨 0.335热炭黑 2.81.70.350槽法炭黑1.91.40.353炉法炭黑2.01.70.355乙炔黑2.72.60.343热处理改变炭黑颗粒中毫微组织的排列程度是已知的。通过提高石黑层的平均直径(La)及平均层高(Lc)提高微晶尺寸。石墨层之间的距离(d002)被减小。在刚超过1000℃的温度下进行炭黑热处理影响毫微组织和形态。将温度提至2700℃或更高对石黑层的排列有强烈影响，而且微晶的生长达到与乙炔黑的数据相当的程度。由在感应炉中在惰性气氛下加热到1100℃和2400℃之间的温度，而滞留时间为数分到数小时所构成的热处理方法是已知的。US4,351,815中公开了一种在带有两个加热区的炉子中热处理炭黑的方法。在第一区，将其加热到565℃和760℃之间的温度，以便将任何存在的氧转变成二氧化碳，而在第二区中将其加热到1400℃-2400℃之间的温度。热处理时间可自9秒至10分变化。在DD292,920中公开了在等离子反应器中由劣质炭黑生产优质炭黑的方法。以0.1-1秒的反应时间将至少3kWh/kg的热函导入原料中，从而使碳全部或部分升华。它的气态碳形式存在，所以该工艺不得不以原料的转变为特征，并且不是热处理工艺。在WO 94/17908中公开了在等离子反应器中转变含有不令人满意的毫微组织的碳质材料，如炭黑和石黑的方法。以在反应室中2-10秒的滞留时间将40kW/时-150kW/时的能量输到原料中。此工艺不得不以原料的转变为特征，并且不是热处理工艺。本专利技术的目的是提供一种改进的热处理碳质材料，尤其是所有类型的炭黑的方法，为得到提高的毫微组织的有序排列。这种毫微组织排列可用标准的测试方法，如显微镜和用X-射线衍射来鉴定。本专利技术另一目的是提高工业炭黑的质量等级，而另一目的是提高非石黑化型的碳质材料，如用作电极材料的碳质材料的等级。还有一目的是能利用本专利技术达到特别的质量，这是迄今未生产出的，或用已知的生产方法而不用昂贵的原料，如乙炔黑难以生产的。本专利技术再一目的是提供一种能在短时间內处理大量原料，从而使该工艺有经济前景的方法。上述目的用以专利权利要求中表示的特性为特征的方法达到。按已知的常规热处理方法，原料在炉内的滞留时间为10秒至数小时。这类工艺不能在短时间內处理大的体积，因而采用它是无利可图的。令人惊异的发现使得碳颗粒，如炭黑的处理时间明显缩短。借助等离子工艺热处理，即在等离子区中处理，达到与在炉子中加热时一样的石墨层排列。但在等离子区中，在范围为0.05-0.1秒或更短的滞留时间后已达到毫微组织的等级提高。这表明即使滞留时间为0.05秒或更短也足以达到令人满意的毫微组织等级。因此，由于可在短时间内处理大的体积，所以提供了有益的方法。这种热处理可在等离子炬中产生的等离子区中进行，在等离子炬中电弧在电极间或在等离子区中燃烧，该区是由感应加热，如气体的高频加热所形成的。各种碳质材料，如煤、焦炭等都可热处理，但首先和主要的是规定炭黑的质量，以便得到特定的质量。碳颗粒借助于承载气体输入到等离子区，此承载气体也可以是此等离子气体。惰性气体，如Ar或N2都可用作承载气体或等离子气体。还原性气体，如H2；或可为H2＋CH4＋CO＋CO2的混合物的工艺气体也可使用。也可使用这些气体的混合物。现在借助于实施方案更详细地解释本专利技术，在说明带有将原料输至等离子区的等离子炬的设计原理的附图说明图1中，本专利技术纯粹以示意的形式被说明。该图说明等离子炬的基本概念，从而能使本
中的普通技术人员通过利用已知方法发展此技术解决方案。此等离子炬可以是常规设计中的一种。在挪威专利NO174450，即来自同一中请人的PCT/NO 92/00195-NO 93/12633中述及一种设计。这种等离子炬旨在向化学过程供应能量。将图1中所图解的等离子炬设计成带有外电极1和中心电极2。这些电极是管状的，而且同轴地一个置于另一个之中。此电极是固态的，而且是用有良好导电性的高熔点材料，如石墨制成。被冷却的金属电极也可使用。可向此电极供直流电或交流电。在电弧作用区中的电极周围设有线圈3，它被供以直流电，从而形成轴间磁场。可通过电极间的环形空间4供入等离子气体。等离子气体也可是碳颗粒的承载气体。碳颗粒借此经过电弧，从而保证它们在等离子区9中均匀地暴露。炭黑颗粒在等离子区9中的滞留时间根据等离子气体的气流速率决定。含有碳颗粒的承载气体可经中心电极2中的腔5或同轴地置于中心电极2中的单独的管子6供应。输送管的设计已述于挪威专利NO174,180，即，PCT/NO92/00198-WO93/12634中，它们是同一申请人提出的。为使出口相对于等离子区9定位，此输送管是在轴向上可移动的。炭黑颗粒在等离子区9中的滞留时间因此可根据承载气体的气流速率和供助于输送管相对于等离子电弧的位置而决定。作为第三种选择方案，含碳颗粒的承载气体可经一个或多个位于电弧区9处，或其下的输送管7供应。可将数个输送管沿反应室8的周边以离等离子炬的电极1，2的升高的距离以不同的水平设置。碳黑颗粒在等离子区9中的滞留时间因而可根据所用的输送管而决定。借助于在电极间燃烧的电弧所加热的气体形成高温等离子体。在这种等离子区中达到3000-20000℃的极高的温度，并且进行热处理就在此区域中。等离子炬与反应室8一同设置，热处理的材料可在此室中冷却，如通过提供冷的等离子气体/承载气体，冷却借此将其加热并可循环及用于能量供应。除去冷却气体外，或作为其一部分可添加特定的特质，以便在碳颗粒表面上得到某种化学官能团。这种物质可供到温度已降到特定程度的区域中。这些物质也可供到连接的室中。该设备的其余部分是包括冷却器、及分离设备的已知的常规型设备，分离设备可由旋风分离器或在其中分离碳的过滤装置构成。这种布局的设计已述于挪威专利NO.176968，即PCT/NO93/00057-WO93/20153中，它们均来自同一申请人。此工艺是高度紧凑的，而且除杂质。该工艺可作为连续工艺进行，或其可被间断使用。该工艺可与现有的工艺共同使用，如与油炉法或等离子法共同使用。它还可结合到生产同一申请人开发的，和述于挪威专利175718，即PCT/NO92/00196-WO93/12030中所述的炭黑的等离子法中。按此工艺碳氢化合物借助得自等离子炬的能量被分解成碳的部份和氢，此氢被本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种为提高炭黑颗粒中毫微组织的排列对碳质材料，尤其是炭黑热处理的方法，其中借助于承载气体将炭黑输入到等离子区，其特征在于，该热处理以小于３７００℃的炭黑温度在等离子区（９）中进行，将１－１０ｋＷｈ／ｋｇ的总热函引入炭黑颗粒中，并采用范围为０．５－０．０１秒的滞留时间。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：S莱纳姆，K霍斯，R施梅特，J哈达尔，N普罗斯特，
申请(专利权)人：克瓦纳尔技术研究公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]