炭素制品理化性能下

1、炭素制品理化性能下28.熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) 定義：熱膨脹系數(shù)分線膨脹系數(shù)和體積定義：熱膨脹系數(shù)分線膨脹系數(shù)和體積膨脹系數(shù)兩種，一般測定線膨脹系數(shù)，膨脹系數(shù)兩種，一般測定線膨脹系數(shù)，即材料受熱后某一特定方向膨脹程度的即材料受熱后某一特定方向膨脹程度的度量，稱為材料該方向的線膨脹系數(shù)。度量，稱為材料該方向的線膨脹系數(shù)。與許多金屬材料相比，炭素制品的熱膨與許多金屬材料相比，炭素制品的熱膨脹系數(shù)是較低的，石墨制品的熱膨脹系脹系數(shù)是較低的，石墨制品的熱膨脹系數(shù)比炭質(zhì)制品低。熱膨脹系數(shù)的英文字?jǐn)?shù)比炭質(zhì)制品低。熱膨脹系數(shù)的英文字母縮寫為母縮寫為CTE。3熱膨脹系數(shù)測試方法熱膨脹系數(shù)測試方法 中國測定石墨電

2、極的熱膨脹系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方中國測定石墨電極的熱膨脹系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法法(GB 3074.4- 82)為使用石英示差膨脹儀測定為使用石英示差膨脹儀測定, 主要由膨脹計、加熱爐和測溫系統(tǒng)三部分組成主要由膨脹計、加熱爐和測溫系統(tǒng)三部分組成, 經(jīng)過精確加工的中孔試料棒固定在石英試料托經(jīng)過精確加工的中孔試料棒固定在石英試料托及石英支承管之間及石英支承管之間, 一根石英拉桿穿過試料棒一根石英拉桿穿過試料棒的孔的孔, 石英拉桿頂部通過浮動托與千分表相接石英拉桿頂部通過浮動托與千分表相接觸觸,再將上述組成的膨脹測試裝置放入加熱爐內(nèi)再將上述組成的膨脹測試裝置放入加熱爐內(nèi), 在指定的溫度范圍內(nèi)加熱在指定的溫度范圍內(nèi)加熱

3、, 石墨試料棒的膨脹石墨試料棒的膨脹量可由千分表讀得量可由千分表讀得, 石墨電極熱膨脹系數(shù)的中石墨電極熱膨脹系數(shù)的中國標(biāo)準(zhǔn)測試溫度范圍規(guī)定為國標(biāo)準(zhǔn)測試溫度范圍規(guī)定為100600。國外。國外有的將溫度范圍定為有的將溫度范圍定為30100或或3013030130。4熱膨脹系數(shù)的計算公式熱膨脹系數(shù)的計算公式 測試結(jié)果的計算公式如下測試結(jié)果的計算公式如下: （ L2L1）（KL0）0.618（106/）式中式中 試料在溫度試料在溫度100600范圍的熱膨范圍的熱膨脹系數(shù)脹系數(shù), 106/ L0 試樣在室溫時的長度試樣在室溫時的長度, mm; L1 試樣在試樣在100時的膨脹量時的膨脹量 mm; L2

4、試樣在試樣在600時的膨脹量時的膨脹量 mm; K 膨脹計的放大倍數(shù)膨脹計的放大倍數(shù); 0.618106/ 石英在石英在100600溫度范圍內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)。溫度范圍內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)。 5石英示差膨脹儀示意圖石英示差膨脹儀示意圖1千分表；千分表；2千分表架；千分表架；3彈簧；彈簧；4石英支承管；石英支承管；5浮動托；浮動托；6底座底座7石英拉桿；石英拉桿；8石英外套；石英外套；9石墨電極試樣；石墨電極試樣；10石英試料托石英試料托6炭素制品的熱膨脹系數(shù)舉例炭素制品的熱膨脹系數(shù)舉例 石墨電極的熱膨脹系數(shù)石墨電極的熱膨脹系數(shù)(100600)舉例舉例 產(chǎn)品名稱產(chǎn)品名稱 電極電極 熱膨脹系數(shù)熱膨脹

5、系數(shù),106/ 直徑直徑 mm 平行擠壓方向平行擠壓方向 垂直擠壓方向垂直擠壓方向 石墨電極石墨電極 (用普通石油焦生產(chǎn)用普通石油焦生產(chǎn)) 400 3.25 4.15 超高功率石墨電極超高功率石墨電極 用石油系針狀焦生產(chǎn)用石油系針狀焦生產(chǎn) 500 1.5 400 1.7 用瀝青針狀焦生產(chǎn)用瀝青針狀焦生產(chǎn) 400 1.3 3.0 半石墨質(zhì)高爐炭塊半石墨質(zhì)高爐炭塊 4.0（測定溫度為（測定溫度為20900）7不同測定溫度數(shù)據(jù)的換算不同測定溫度數(shù)據(jù)的換算 美國和日本的針焦廠和炭素廠測定美國和日本的針焦廠和炭素廠測定針焦和石墨電極的熱膨脹系數(shù)的溫度范針焦和石墨電極的熱膨脹系數(shù)的溫度范圍有的為圍有的為3

6、0100，有的為，有的為30130，炭石墨材料的熱膨脹系數(shù)隨測定溫度范炭石墨材料的熱膨脹系數(shù)隨測定溫度范圍的提高而上升，但有一定規(guī)律性，如圍的提高而上升，但有一定規(guī)律性，如以以2020100100間測定的熱膨脹系數(shù)為基礎(chǔ)，間測定的熱膨脹系數(shù)為基礎(chǔ)，只要加上一個附加數(shù)，即可得出不同溫只要加上一個附加數(shù)，即可得出不同溫度下的熱膨脹系數(shù)。度下的熱膨脹系數(shù)。8影響石墨電極熱膨脹系數(shù)的因素影響石墨電極熱膨脹系數(shù)的因素 1.與原料有關(guān)，與原料有關(guān)， 2.與配方的粒度組成有關(guān)，配方采用的大與配方的粒度組成有關(guān)，配方采用的大顆粒尺寸較大，相對熱膨脹系數(shù)下降，顆粒尺寸較大，相對熱膨脹系數(shù)下降， 3.與浸漬及體積

7、密度提高有關(guān)，浸漬次數(shù)與浸漬及體積密度提高有關(guān)，浸漬次數(shù)增加，體積密度上升而熱膨脹系數(shù)提高。增加，體積密度上升而熱膨脹系數(shù)提高。 4.與石墨化溫度有關(guān)，溫度高則成品的熱與石墨化溫度有關(guān)，溫度高則成品的熱膨脹系數(shù)下降。膨脹系數(shù)下降。99.抗熱震性抗熱震性 定義：炭素制品在高溫下使用時經(jīng)受劇烈的溫定義：炭素制品在高溫下使用時經(jīng)受劇烈的溫度變化而不被破壞的性能。度變化而不被破壞的性能。 產(chǎn)生熱應(yīng)力的因素線膨脹系數(shù)，產(chǎn)生熱應(yīng)力的因素線膨脹系數(shù)，CTE越小，越小，在其他指標(biāo)相同的條件下抗熱震性提高。在其他指標(biāo)相同的條件下抗熱震性提高。 緩沖熱應(yīng)力的因素彈性模量，彈性模量越大，緩沖熱應(yīng)力的因素彈性模量，彈

8、性模量越大，抗熱震性能越差?？篃嵴鹦阅茉讲睢?抵抗熱應(yīng)力的因素抗拉強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度越低，抵抗熱應(yīng)力的因素抗拉強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度越低，抗熱震性能下降?？篃嵴鹦阅芟陆?。10抗熱震性的計算公式抗熱震性的計算公式 抗熱震性用抗熱震準(zhǔn)值（抗熱震性用抗熱震準(zhǔn)值（R）表示：）表示： RS/E 式中式中材料的熱導(dǎo)率；材料的熱導(dǎo)率； S S抗拉強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度； 線膨脹系數(shù)；線膨脹系數(shù)； E E彈性模量。彈性模量。11提高炭素制品的抗熱震性能必須提高炭素制品的抗熱震性能必須綜合考慮各項(xiàng)物理指標(biāo)綜合考慮各項(xiàng)物理指標(biāo) 首先是選擇首先是選擇CTE較小的原料，較小的原料， 增加浸漬次數(shù)可以提高機(jī)械強(qiáng)度，但同增加浸漬次數(shù)可以提高

9、機(jī)械強(qiáng)度，但同時應(yīng)提高最后一次的熱處理溫度（炭質(zhì)時應(yīng)提高最后一次的熱處理溫度（炭質(zhì)制品的焙燒溫度、石墨制品的石墨化溫制品的焙燒溫度、石墨制品的石墨化溫度），以提高成品的熱導(dǎo)率和降低度），以提高成品的熱導(dǎo)率和降低CTE，石墨電極的熱導(dǎo)率被比熱容和體積密度石墨電極的熱導(dǎo)率被比熱容和體積密度相除得到新指標(biāo)相除得到新指標(biāo)“溫度傳導(dǎo)系數(shù)溫度傳導(dǎo)系數(shù)”在其在其他指標(biāo)相同時，溫度傳導(dǎo)系數(shù)越高，產(chǎn)他指標(biāo)相同時，溫度傳導(dǎo)系數(shù)越高，產(chǎn)生的熱應(yīng)力越小。生的熱應(yīng)力越小。12抗熱震性能的測試抗熱震性能的測試 對各向異性的石墨電極直接測試抗熱對各向異性的石墨電極直接測試抗熱震性能并非易事震性能并非易事,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)研究發(fā)

10、現(xiàn),只要測出裂只要測出裂紋擴(kuò)展的起始電功率或開始加熱到裂紋紋擴(kuò)展的起始電功率或開始加熱到裂紋剛剛形成所需的時間剛剛形成所需的時間(斷裂時間斷裂時間)即可間接即可間接測量石墨電極的抗熱震性能測量石墨電極的抗熱震性能,國外一些研國外一些研究機(jī)構(gòu)設(shè)計了多種特殊的儀器進(jìn)行測定究機(jī)構(gòu)設(shè)計了多種特殊的儀器進(jìn)行測定,如電加熱法、電弧放電加熱法、高頻感如電加熱法、電弧放電加熱法、高頻感應(yīng)加熱法等，應(yīng)加熱法等，13電加熱法測定抗熱震性裝置示意圖1電極試樣；2導(dǎo)電電線；3水冷卻器；4重物；5電源變壓器；5-降壓變壓器 6降壓變壓器；7電壓表；8-分路器；9-熱電偶；10制圖儀；11壓電換能器；12放大裝置；13溫

11、差電堆；14致冷器1410.灰分灰分定義：灰分即炭質(zhì)原料或炭素制品的試定義：灰分即炭質(zhì)原料或炭素制品的試樣經(jīng)一定高溫灼燒后殘留下的金屬和樣經(jīng)一定高溫灼燒后殘留下的金屬和非金屬元素及其化合物（一般是氧化非金屬元素及其化合物（一般是氧化物），物）， 測定灼燒的溫度和時間：中國測定測定灼燒的溫度和時間：中國測定標(biāo)準(zhǔn)為在標(biāo)準(zhǔn)為在8502020的高溫爐中，灼燒的高溫爐中，灼燒3 3小時，冷卻至室溫再稱量。小時，冷卻至室溫再稱量。15各種炭質(zhì)原料的灰分指標(biāo)舉例各種炭質(zhì)原料的灰分指標(biāo)舉例 普通石油焦普通石油焦0.31.0% 針狀焦針狀焦0.30.5% 瀝青焦瀝青焦0.30.5% 普通無煙煤普通無煙煤1020

12、% 優(yōu)質(zhì)無煙煤優(yōu)質(zhì)無煙煤68% 冶金焦冶金焦1215% 煤瀝青煤瀝青0.30.5%16各種炭素制品的灰分指標(biāo)舉例各種炭素制品的灰分指標(biāo)舉例 普通功率石墨電極普通功率石墨電極0.31.0% 超高功率石墨電極超高功率石墨電極0.30.5% 預(yù)焙陽極預(yù)焙陽極0.51.0% 炭質(zhì)電極炭質(zhì)電極4.08.0% 鋁用炭塊鋁用炭塊6.08.0% 陽極糊陽極糊0.51.0% 電極糊電極糊5.011.0%17與炭素制品灰分含量有關(guān)的其他與炭素制品灰分含量有關(guān)的其他因素因素 在石墨電極的配方中加入氧化鐵粉會增在石墨電極的配方中加入氧化鐵粉會增加成品灰分，但對煉鋼沒有影響。加成品灰分，但對煉鋼沒有影響。 石墨化溫度越

13、高，成品的灰分越低，石墨化溫度越高，成品的灰分越低， 對高純石墨而言，成品灰分?jǐn)?shù)量與石墨對高純石墨而言，成品灰分?jǐn)?shù)量與石墨化時通入的凈化氣體的數(shù)量以及通氣工化時通入的凈化氣體的數(shù)量以及通氣工藝條件有關(guān)。藝條件有關(guān)。 生產(chǎn)炭質(zhì)制品加入石墨化碎代替高灰分生產(chǎn)炭質(zhì)制品加入石墨化碎代替高灰分的原料，可降低成品灰分。的原料，可降低成品灰分。1811.炭素材料的氧化性與抗氧化炭素材料的氧化性與抗氧化 定義：氧化性是指試樣在某一溫度下每克每小定義：氧化性是指試樣在某一溫度下每克每小時氧化損失的毫克數(shù)。開始氧化溫度為在該溫時氧化損失的毫克數(shù)。開始氧化溫度為在該溫度下氧化度下氧化24小時后損失的毫克數(shù)。開始氧化

14、溫小時后損失的毫克數(shù)。開始氧化溫度越高和在該溫度下經(jīng)過度越高和在該溫度下經(jīng)過24小時的中連續(xù)氧化小時的中連續(xù)氧化損失的數(shù)量越少說明這種材料的抗氧化性能越損失的數(shù)量越少說明這種材料的抗氧化性能越好。中國標(biāo)準(zhǔn)測定溫度為好。中國標(biāo)準(zhǔn)測定溫度為65011，氧化從表，氧化從表面開始，氧化導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)疏松，并使表面的面開始，氧化導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)疏松，并使表面的少量炭質(zhì)顆粒掉落，這時的失重不僅是氧化損少量炭質(zhì)顆粒掉落，這時的失重不僅是氧化損失，也包括掉粒的損失，統(tǒng)稱為氧化重量損失失，也包括掉粒的損失，統(tǒng)稱為氧化重量損失（% %）。）。19石墨質(zhì)和炭質(zhì)材料的氧化性和石墨質(zhì)和炭質(zhì)材料的氧化性和氧化速度氧化速度 炭質(zhì)

15、或石墨質(zhì)材料在一定溫度下與周圍的炭質(zhì)或石墨質(zhì)材料在一定溫度下與周圍的空氣產(chǎn)生氧化反應(yīng)是不可避免的，炭的開始氧空氣產(chǎn)生氧化反應(yīng)是不可避免的，炭的開始氧化溫度約化溫度約350，石墨材料約在，石墨材料約在450450左右開始左右開始氧化反應(yīng)，反應(yīng)式如下：氧化反應(yīng)，反應(yīng)式如下： C CO O2 2COCO2 2（在較低溫度下）（在較低溫度下） C C0.5O0.5O2 2CO (CO (在較高溫度下在較高溫度下) ) 赤熱時與水蒸汽的反應(yīng)：赤熱時與水蒸汽的反應(yīng)： C CH H2 2OCOOCOH H2 2（700700左右）左右） C C2H2H2 2OCOOCO2 22H2H2 220石墨電極的抗氧

16、化性石墨電極的抗氧化性 石墨電極主要用于電爐煉鋼石墨電極主要用于電爐煉鋼, 在高溫氧化氣在高溫氧化氣氛中作為導(dǎo)電電極使用氛中作為導(dǎo)電電極使用, 氧化是石墨電極在電氧化是石墨電極在電爐上消耗的主要原因爐上消耗的主要原因, 測定石墨電極的氧化性測定石墨電極的氧化性能有助于了解石墨電極的質(zhì)量能有助于了解石墨電極的質(zhì)量, 氧化性是指石氧化性是指石墨電極試樣在某一溫度下每克每小時氧化損失墨電極試樣在某一溫度下每克每小時氧化損失的毫克數(shù)的毫克數(shù), 開始氧化溫度的含義為在該溫度下開始氧化溫度的含義為在該溫度下氧化氧化24小時后失重小時后失重1%。中國測定石墨電極氧。中國測定石墨電極氧化性的標(biāo)準(zhǔn)方法是熱失重法

17、化性的標(biāo)準(zhǔn)方法是熱失重法(GB3074.3-82), 圖圖3為測定石墨電極氧化性的儀器裝置示意圖為測定石墨電極氧化性的儀器裝置示意圖, 試試樣直徑為樣直徑為26mm、長度為、長度為50mm, 測定溫度為測定溫度為6501, 測定時間為測定時間為4小時。小時。21氧化性測定裝置示意圖氧化性測定裝置示意圖1萬分之一天平掛鉤；2熱電偶；3石墨蓋；4石英管；5鉑絲；6水泥石墨板；7電熱絲；8氧化鋁管；9試樣；10爐殼；11不銹鋼皿；12帶孔玻璃漏斗；13轉(zhuǎn)子流量計；14高純氮?dú)猓?5鼓風(fēng)機(jī)；16保溫料 22石墨電極的抗氧化性石墨電極的抗氧化性 溫度越高或氧化時間越長溫度越高或氧化時間越長, 氧化失重越

18、大。氧化失重越大。氧化從石墨電極表面開始氧化從石墨電極表面開始, 氧化導(dǎo)致表面氧化導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)疏松結(jié)構(gòu)疏松,并使表面上少量的石墨顆粒掉并使表面上少量的石墨顆粒掉落落, 這時失重不僅是氧化失重這時失重不僅是氧化失重, 也包括石也包括石墨顆粒掉落的重量墨顆粒掉落的重量, 統(tǒng)稱為氧化重量損失統(tǒng)稱為氧化重量損失(%)。 23鋁用預(yù)焙陽極的抗氧化性鋁用預(yù)焙陽極的抗氧化性 預(yù)焙陽極（炭陽極）在鋁電解槽中參與氧預(yù)焙陽極（炭陽極）在鋁電解槽中參與氧化鋁的電化學(xué)反應(yīng)，同時與周圍的化鋁的電化學(xué)反應(yīng)，同時與周圍的CO2及空氣及空氣產(chǎn)生氧化反應(yīng)，增加了消耗，理論上每噸鋁消產(chǎn)生氧化反應(yīng)，增加了消耗，理論上每噸鋁消耗炭陽

19、極耗炭陽極330公斤，實(shí)際上要消耗公斤，實(shí)際上要消耗400440公公斤。因此國外生產(chǎn)的炭陽極要測定空氣中氧化斤。因此國外生產(chǎn)的炭陽極要測定空氣中氧化速度及在速度及在CO2中的氧化度、脫落度（掉渣），中的氧化度、脫落度（掉渣），通過提高焙燒最終溫度、改進(jìn)配方（用大顆粒通過提高焙燒最終溫度、改進(jìn)配方（用大顆粒配方）等措施可減少炭陽極的單耗。配方）等措施可減少炭陽極的單耗。24影響炭材料抗氧化性的各種因影響炭材料抗氧化性的各種因素素 各種炭質(zhì)原料或石墨電極的氧化性與他們各種炭質(zhì)原料或石墨電極的氧化性與他們的熱處理溫度、雜質(zhì)含量、晶格結(jié)構(gòu)的完善程的熱處理溫度、雜質(zhì)含量、晶格結(jié)構(gòu)的完善程度、孔隙率的多少

20、等因素有關(guān)。炭質(zhì)原料或石度、孔隙率的多少等因素有關(guān)。炭質(zhì)原料或石墨電極的最終熱處理溫度越高，則其開始氧化墨電極的最終熱處理溫度越高，則其開始氧化溫度越高。雜質(zhì)元素如鐵、鈣、釩、鈉都有加溫度越高。雜質(zhì)元素如鐵、鈣、釩、鈉都有加速氧化的觸媒作用。原料或成品的孔隙率越大速氧化的觸媒作用。原料或成品的孔隙率越大則氧化速度加快。在一定條件下碳元素和氫、則氧化速度加快。在一定條件下碳元素和氫、氯、氟、硫等元素也會起化學(xué)反應(yīng)。氯、氟、硫等元素也會起化學(xué)反應(yīng)。 2512.鋁用陰極炭塊的電解試驗(yàn)鋁用陰極炭塊的電解試驗(yàn) 定義：鋁用陰極炭塊的電解試驗(yàn)測定兩定義：鋁用陰極炭塊的電解試驗(yàn)測定兩個項(xiàng)目，個項(xiàng)目，1.破損系數(shù)破損系數(shù)即陰極炭塊試破損系數(shù)破損系數(shù)即陰極炭塊試樣在電解時浸入電解質(zhì)的體積與試樣原樣在電解時浸入電解質(zhì)的體積與試樣原有的孔隙體積的比值。有的孔隙體積的比值。2.試樣直徑膨