论碳素生产要素_碳素生产要素
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论碳素生产要素
炭素材料在国民经济中的作用，随着科技进步越来越受到各行业的重视。碳素材料就其在应用中表现出来的各种应用特性表征，可视其为功能性材料，但决定其应用特性、功能价值大小则取决于材料的内在结构特性，不同结构的碳素材料其应用特性表征是不相同的，其功能价值也不相同。
碳素材料的生产是以满足使用要求为目的，制造出内部结构均匀、特性稳定、离散性很小的结构材料的全过程，其生产过程是一个系统工程。
碳素生产要素分为：原料、装备、技术、管理四个方面，四个要素缺一不可，不能认为具备了某一项要素或掌握了某项专有技术就能制造出满足使用的炭素材料，全过程的任何一个细小环节都不能有所忽略。本文偏重于石墨电极、特种炭材料生产作介绍，仅供炭素同仁参考商榷。1 原料
原料是决定碳素材料使用性能的关键要素，原料特性不同，即使用相同方法制造出来的碳素材料其使用性能也不相同。原料的选择必须依据使用要求，以达到满足使用为目的，去选择适用的原料，而且要结合本企业装备条件的适应性、技术、管理的条件去综合考虑。
不同使用要求的碳素材料生产使用原料要求都不一样。生产各向异性碳素材料，如炼钢用超高功率石墨电极就要选择各向异性度大的优质石油针状焦为首选原料焦，并选择优质粘结剂沥青、浸渍剂沥青、添加剂。国外各大碳素企业在原料选择上要求都十分严格，按使用要求的不同选择不同的原料，生产满足不同使用要求的产品。国内碳素企业由于受各方面的环境的制约，偏重于考虑采购成本，加上国内至今尚无与国际水平接近的优质原料，绝大多数企业仍以延迟石油焦、中温沥青为主导原料，而生产出来的碳素材料档次偏低，满足不了高档使用要求，而高档次尖端领域用的碳素材料仍需进口。
在原料性能的研究上，我国企业与国外企业的差距相当大，目前国内仅少数科研院所及企业作为课题在研究原料，而且投入的人力、物力、财力甚少，速度较慢，与生产实际的结合尚有距离。国外的同行业都有自己的或专门挂靠的科研机构，有相当数量的长期从事原料各项性能与使用性能关系的研究的科技人员，科研机构内配置的仪器、设备相当先进。针对生产过程中原料性能影响稳定性、质量波动、装备适应性、产品使用性能，节能可行性等方面进行一系列的课题研究。原料研究的结果对碳素材料的生产过程有直接指导作用。如国外企业在高功率、超高功率石墨电极生产上普遍采用短流程工艺生产就与原料应用有着极为密切的关系，而国内至今未全面推广短流程工艺生产，很关键的问题就是没有适应短流程工艺的原料和相关装备、技术、管理条件。
国外企业在原料研究上始终保持和原料供应厂商的密切沟通联系，经常反馈生产和使用信息。各原料供应生产厂商分别按各炭素企业提供的要求供应符合该企业所需要的原料，针对性很强，一般都签订原料定点定标合作意向书。这些经验是值得国内各炭素企业借鉴的。下面就一些主要的原料作简介。1.1延迟石油焦
目前国内各炭素企业广泛应用延迟石油焦作主要原料焦。铝用炭素企业用量最大，电极生产企业用量较小。目前大多数企业在选择延迟石油焦时比较偏重常规理化指标的好坏，如挥发分、灰分、硫含量、煅后真密度等。对焦的热性能、颗粒强度、石墨化转换率等由于缺少分析手段一般不易了解而有所忽略，而这些性能恰恰是很重要的。
选择延迟石油焦应向提供商了解如下情况：原油产地及供应渠道；渣油组分比例（如催化裂化、热裂化、减压渣油、抽出油、丙烷脱沥青渣油等组成比例）；渣油硫含量；装置上有无加氢脱硫装置系统；有无除灰分除尘系统；渣油芳烃含量；石蜡基含量；碳氢化；渣油循环比；加热炉工作状况；延迟焦化塔温度分布；出焦切割水泵压力；切割水喷头孔径大小及分布位置；泡沫焦占总焦量比例；渣油产焦率等。1.2煤系针状焦、石油针状焦 目前国内电极生产企业在生产高功率、超高功率石墨电极时一般都选用进口或国产的煤系或石油针状焦，目前国产针状焦与国外针状焦相比的主要差距表现在：针焦各向异性度较国外小，颗粒强度较低，硫含量偏高，热膨胀系数偏大，性能分级很少。1.3沥青焦
沥青焦是生产特种炭材料的主要原料焦，用沥青焦生产的特种炭材料的强度高、密度大，具有一些特殊的性能，比用延迟石油焦生产的特种炭材料性能优良，但在选择工艺技术、装备适应性上难度较大。用沥青焦添加炭黑或或其他添加剂可生产抗高温烧蚀、高耐磨、耐化学腐蚀的高端科技领域的新型炭材料。1.4沥青
目前国内各炭素企业包括电极生产、铝用碳素振动成型生产、特种炭材料生产在粘结剂沥青、浸渍剂沥青的选用上大多数都采用中温沥青作两种工艺处理用的沥青。长期以来由于受传统炭素生产观念的影响，注重沥青的软化点、挥发分、甲苯不溶物、结焦值等常规指标，忽略沥青的β树脂含量、β树脂在结焦值中所占比例的高低直接影响到炭素材料的热性能上。抗地震性能、热导率、石墨化转换率都和β树脂含量有关。有的中温沥青常规指标都达标，恰恰是喹林不溶物含量很高，结焦值相当高，用这种沥青生产出的炭素材料由于沥青的β树脂含量很低，制品热性能很差，在石墨化工序处理时就会超成坯品开裂，在产品使用时极易产生断裂。2 装备
碳素生产用的装备要求先进、合理、高效率，而且要兼顾到适用性、经济性，运行时稳定可靠，尽可能摆脱人为因素干扰，实现自动化连锁控制。装备必须满足生产工艺要求，保证生产出的产品结构均匀，性能稳定，能满足使用要求。
我国大多数碳素企业整体系统性的装备水平与国外大企业相比，仍有较大差距。从上个世纪80年代开始有的企业从单个工序上引进了一些装备硬件，但由于缺少整体系统性考虑，缺少软件技术，很难发挥出整体效益。
炭素生产是个系统工程，许多企业在装备的设计选型购置时往往偏重于考虑产能平衡较多，忽略了系统性的工序匹配。单个工序上装备考虑先进性较多，容易忽略合理性、可靠性。又有的企业在自身条件相对较落后的情况下，选择装备时强调实用性、可靠性，但没有考虑到企业今后的发展，产品升级换代的需要，忽略了选择装备的先进性。这样就造成了在不长的时间内反复进行技术改造花费了企业的大量的资金。企业在进行技术改造项目时必须进行充分的论证，系统地进行平衡全工序测算，要与供货商厂家进行技术交流，运用价值工程理论，分清关键必备功能与辅助可免去的功能的价值成本系数比重，这样才可避免无谓的投入，以最低成本去获取企业的最大效益。
国内炭素企业与国外企业的装备水平相比，差异表现在以下几个工序的装备上，混捏成型工序、浸渍工序、二次焙烧工序、石墨化工序、沥青烟气处理。2.1 混捏成型工序
目前绝大多数炭素企业采用的大都是常压式双搅刀混捏机，集干料加热，加粘结剂混捏于一体化。加热方式用蒸汽、电、导热油等。这种混捏机的缺点在于干料加热温度低，没有加压机构就导致粘结剂沥青渗透浸润到颗粒微孔中能力差，混捏出来的糊料均匀性较差，特别是粘结剂沥青分布性差，不均匀。对于干料先行加热，有的企业已用上干料加热器，根据各种产品的生产工艺要求将干料预先加热到与粘结剂沥青熔化加入温度相匹配的较高温度。这就有利于粘结剂沥青先期渗透浸润到干料颗粒微孔中去，特别在特种炭材料生产中所用的干料颗粒粒径非常小，超细粉有的只有10μm以下，不采用干料加热及加压混捏是达不到良好的混捏质量要求的。在混捏机材质与密封材料上国内制造厂家选用的不够理想，磨损快，密封性差，新设备用不上多少时间就出现问题，令炭素企业非常伤脑筋，生产现场环境恶劣，粉尘、烟尘到处跑冒。在电极生产上国外炭素企业采用新型的混合器（强制混捏机），将预先加热好的干料输入混合器进行干混、加粘结剂沥青混捏、凉料一体化作业，整个过程采用计算机控制，温度控制严格，糊料温差很小，一般都控制在±1℃范围内，糊料呈松散状，块度一般在20~35mm，这种新型混合器制备出的糊料可保证成型生制品内部结构均匀无缺陷。炭素生产上成型设备多采用挤压机、振动成型机、模压机、冷等静压机等。电极生产用挤压机要求具备恒压恒速连续挤压同步剪切功能和抽真空功能，这是生产大规格高功率、超高功率石墨电极的挤压机必须具备的关键功能，如果不具备上述关键功能，那生产出来的生制品则保证不了内部结构的均匀性、稳定性。特种炭素材料的成型设备，目前采用较多的是模压机，对各向同性度要求较高的材料则采用冷等静压机生产，但没有各向同性原料即使采用冷等静压机压制的生制品也达不到较理想的的各向同性度。目前低档次的特种炭材料，许多企业都采用模压机压制生制品。上世纪90年代开始有的企业在生产颗粒粒径小于1mm的大规格细结构炭材料时开始采用振动成型机压制生制品，但压制0.15mm以下粒径颗粒的生制品难度很大。
特种炭材料使用上已发展到大规格超细颗粒，高强度、高密度，具有良好的机械物理性能的高端材料，现国内高端特种炭材料仍依赖从国外进口。2.2 浸渍工序
浸渍系统的装备与国外企业的差异主要表现在对浸渍剂沥青和生产工艺上认识的差异。
浸渍前的焙烧制品表面除粘附填充料外，更重要的是其表面形成了0.5~2mm致密的结焦层，不清除掉粘附表面的填充料和致密层将导致浸渍作业时沥青渗透不均匀。目前，国内企业大多采用人工清除方式，这只能清除表面粘附的填充料，清除不掉表面致密层。焙烧坯品表面清理机是浸渍系统很重要的装备之一。预热炉对浸前焙烧坯品预热的均匀性是炉窑设计上很重要的，坯品预热不均匀，浸渍结果也不均匀，预热炉是影响浸渍效果的很关键的设备之一。2.3 二次焙烧工序
国内二次焙烧炉窑大多采用带盖式环式炉，敞开式焙烧炉，有的企业采用隧道窑，车底式窑进行焙烧作业，目前大多数企业对一次、多次焙烧的窑炉基本不分，为节省投资都采用同一炉型进行作业，只是在工艺上加以区分。
国外二次以上焙烧窑炉基本上以车底式窑、隧道窑为主，作业时间短，采用计算机控制，能耗低，炉内温差小。不采用填充料保护，制品也不氧化。2.4 石墨化工序
石墨化工序上普遍采用的外热式艾奇逊石墨化电阻炉（AWG）和内热串接石墨化电阻炉（LWG），与国外相比在内热串接石墨化炉作业上缺少温度、压力平衡传感系统、计算机控制系统。
国内企业在石墨化送电作业上还是采用经验曲线开操作送电，而不是以温度变化、制品体积变化反映到压力变化上来，由计算机控制送电和压力平衡，这在石墨电极生产上是非常重要的。
特种炭材料的石墨化作业仍以艾奇逊炉为主，配以化学提纯处理。国外对小规模高端特种炭材料在石墨化处理后，为防止玷污，另行炉外化学处理提纯作业，以保证材料灰分达到1×10－6~2×10－6级别，甚至更低。2.5 沥青烟气处理
目前绝大多数炭素企业在处理焙烧作业产生的沥青烟气都采用电捕焦油器（静电除尘）捕集焦油，这种处理装置存在捕集下来焦油的二次污染源问题，而且经处理后排放的烟气中仍有少量有害物质，很难彻底根治。彻底解决沥青烟气只有通过焚烧法处理，将沥青烟气氧化焚烧后分解成二氧化碳、水蒸气排放，焚烧炉再配置余热锅炉回收大量热能。由于直接焚烧法需要消耗大量能源，现逐步改进成低能耗的蓄热床式催化氧化焚烧法来处理沥青烟气。3 技术
技术之所以作为企业的核心机密，正由于它是在企业自身不断发展过程中，经过长时间生产实践的成功经验和失败教训，不断完善总结分析改进提高后积累的一整套系统性的软件技术，亦称之为企业的专有技术。生产工艺的各项专有技术是以产品满足使用为前提条件，在企业现有装备条件、资源条件、管理条件下制定的，在企业生产经营运行过程中不断进行提高，不断完善，再用以指导生产实践。
国外炭素企业对旧一轮次以用过的专有技术往往有偿对外提供，技术转让费要价相当高。除将专有技术作为商品出售转让获取利润外，还要追加以往在技术开发中的投入成本。在与国外企业交流中能得到的都是国外企业旧的用过的技术信息。而正在使用的新的专有技术往往不会有偿对外提供转让的，即使出价很高也很难获得国外最新的专有技术。
生产工艺技术的相对稳定性是保证产品满足用户使用的前提条件。在用户对产品使用要求没有改变的情况下，企业内部在产品生产全工序过程中应用的生产工艺技术也应保持相对稳定，包括从原材料的选择到产品包装出厂的全过程。
生产工艺技术条件的改变必需在产品保证满足使用的前提下，要进行充分论证，进行一系列的研究试验，直至新的工艺技术条件成熟稳定，达到生产全过程严密受控，质量稳定，产品经用户反复试验，最终能保证满足用户使用要求后，才可以用文件的形式固定下来，指导新一轮的生产实践。
各企业的各项专有技术有可供借鉴受到启发的共性，更有企业自身特定的时期条件的个性特点。炭素企业间的相互交流，吸取其他企业先进的技术时是不能全盘照搬的。必须认真分析该项技术形成的特定条件，对本企业的适用性，避免盲目引进其他企业的专有技术。
炭素材料的生产专有技术包含的内容很多，如原料选择、添加剂的应用、工艺配方、模具嘴形曲线、热加工工艺、设备匹配选择、机械加工工艺、使用检测技术等。
工艺技术作为软件其可塑性很强，而装备作为硬件其可塑性很小。研究工艺技术关键在于如何掌握运用正确的基本科学原理，运用好各专业学科的基础理论知识，包括装备的基础理论，学习新技术新工艺，拓展思路，有创新意识，在生产实践中经常能发现问题，分析产生问题的关键原因，制定出解决问题的方法与措施。
装备一旦选型安装就位后相对难以作较大改动，工艺技术就要在装备条件下去研究如何适应装备的基本特性，调整工艺技术研究方案，必须做到软件技术和装备硬件的协调统一，如果不能协调统一，生产经营就无法进行下去。4 管理
炭素企业管理的核心内容与目标就是炭素材料生产全过程的严密受控稳定，达到产品保证满足用户使用条件，企业以较低的成本投入去获取最大的效益。
管理作为一门软科学，越来越受到各炭素企业的关注。在管理上除了要确立管理结构模式，各项管理制度、管理标准、管理程序等一整套严格规范的管理体系，措施外，很重要的就是对企业员工的管理。由于炭素材料的生产还属于劳动密集型、高耗能、高污染的基础工业。一个企业即使有了优质的原料，先进的装备水平，掌握了一定先进的技术，如果没有一整套严格规范的管理体系措施，很难想象这个企业能生产出保证满足用户使用条件的高质量产品，有较好的经济效益。有的炭素企业在研发新产品时，集中企业的科技人员的力量出科技成果是可能的，但是一旦将科技成果转入工业化大生产就难以达到预期的效果，究其原因就是管理还跟不上要求。
企业在管理上要在不同时期确立不同目标前提下明确本企业的企业文化精神。企业文化的核心内容之一就是激励各层次各部门全体员工的团队精神，一个没有全体员工团队精神的企业犹如一盘散沙，是发挥不出团队力量的。
管理要精细化，要将管理的各项内容分解落实到企业的各个层次，每个角落，每一个员工，不漏掉任何一个死角。管理上要转变观念，有创新意识，为保证企业生产经营过程的严密受控，产品质量稳定能保证满足用户使用条件，有较好的经济效益，在企业内部要求提倡树立全员对用户负责的观念。
什么是用户？长期以来人们对用户的认识往往只局限在企业生产的产品通过市场营销渠道卖给直接使用的单位或中间代理商，把直接使用单位或中间代理商作为企业的用户。这种对用户认识的观念往往带有一定的局限性和片面性。用户应该理解为：你的工作对象就是用户。每位员工的工作对象都离不开人、机、料、法、环五个要素，不论在生产操作岗位上还是在管理岗位上，员工每时每刻都在和用户打交道，每个工作对象（即用户）又通过员工的工作制造出来产品。企业在生产经营的全过程也是用户的产品循序移动的全过程。
如何树立全员对用户负责的观念，首先要求每位员工自觉地严格执行企业制定的各项管理制度。在各自岗位上恪尽职守、尽职尽责、兢兢业业。还要求每位员工了解、掌握自己的工作对象，要加强学习、刻苦钻研、仔细认真地研究自己的工作对象，特别是经常容易被忽略掉的每个细微环节。只有把自己的工作对象研究透彻了，能熟练掌握运用自如了，才具备了比较扎实的工作基础条件，才能知道如何去对自己的用户负责，在本岗位上制造出合格产品。
树立全员对用户负责的观念，应将企业的管理目标逐层次分解，直至每位员工的工作对象上。在岗实施动态量化跟踪考核，依次体现每位员工对用户负责的真实业绩合格与否、优劣差异。
管理作为炭素生产很关键的一个要素，它能决定企业在激烈的市场竞争下兴衰存亡，抓好管理这个关键要素，是放在炭素企业每位管理者面前的一项重要课题。
