碳素的基础知识

碳素|碳素的基础知识2009年2月6日炭和石墨材料是以碳元素为主的非金属固体材料，其中炭材料基本上由非石墨质碳组成的材料，而石墨材料则是基本上由石墨质碳组成的材料。为了简便起见，有时也把炭和石墨材料统称为炭素材料（或碳材料）。炭素制品按产品用途可分为石墨电极类、炭块类、石墨阳极类、炭电极类、糊类、电炭类、炭素纤维类、特种石墨类、石墨热交换器类等。石墨电极类根据允许使用电流密度大小，可分为普通功率石墨电极。高功率电极、超高功率电极。炭块按用途可分为高炉炭块、铝用炭块、电炉块等。炭素制品按加工深度高低可分为炭制品、石墨制品、炭纤维和石墨纤维等。炭素制品按原料和生产工艺不同，可分为石墨制品、炭制品、炭素纤维、特种石墨制品等。炭素制品按其所含灰分大小，又可分为多灰制品和少灰制品（含灰分低于l％）。我国炭素制品的国家技术标准和部颁技术标准是按产品不同的用途和不同的生产工艺过程进行分类的。这种分类方法，基本上反映了产品的不同用途和不同生产过程，也便于进行核算，因此其计算方法也采用这种分类标准。下面介绍炭素制品的分类及说明。一、炭和石墨制品(一)石墨电极类主要以石油焦、针状焦为原料，煤沥青作结合剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成，是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体，根据其质量指标高低，可分为普通功率、高功率和超高功率。石墨电极和铜电极相比的优越性石墨电极的优点是加工较容易，EDM（电火花）时金属去除率高，以及石墨损耗小。故此，越来越多的模具厂放弃使用铜电极而改用石墨电极。那么，石墨到底有哪些优势呢？1．石墨的比重是铜的1/5，同等体积石墨的重量相对铜要轻5倍。铜制作成的大型电极由于太重，在长期电火花时对EDM机床主轴精度非常不利。而石墨则不会，而且搬运也非常安全！2．石墨可以有很高的加工速度,一般石墨的加工速度较普通金属快3-5倍。而且选择硬度合适的刀具和石墨，可减少刀具的磨损和电极的损耗。3．石墨成型容易且不会变形，有些形状的电极用铜不易制作而用石墨能轻易达到。如：薄片电极，铜在机加工和EDM时容易变形，而石墨却能很容易的达到，且石墨在EDM时可以用较大的电流和加工速度，不用担心因温度过高产生变形而使工件受到损坏。4．石墨的修整和抛光，一般情况下石墨在加工完成后不需要进行抛光处理。这也减少了电极在成型后的精度误差和缩短了生产周期。5．石墨的EDM（电火花）速度快而损耗小。因为铜的熔点是1083℃，而EDM时的温度在1100℃，铜电极在EDM后相对容易消耗和磨损。而石墨在3550℃才会出现升华，只要配合好合理的加工参数，石墨电极可以做到理论意义上的零损耗。从而避免了电极重复加工的次数。6．在电极的设计和编程方面，石墨电极的设计也不同。许多模具厂通常在铜电极的粗加工和精加工有不同的预留量，而石墨电极则可以使用相同的预留量，这减少了CAD/CAM的工作量和机器加工的次数。单是这个原因就足以缩短模具的设计和加工周期，而且也减少加工中了出错的概率。诚然，石墨也有其不足的地方。如：不像铜电极能回收利用。但相对如此高的生产效率，这一点就相对显得微不足道。当然，由铜电极转用石墨电极，需要了解该如何使用石墨材料，以及要考虑其他许多因素。石墨分为不同等级，在特别应用程序使用适当等级石墨和机器参数才可达到理想的效果。如使用石墨电极的机器操作人员使用与铜电极相同的设定，结果是令人失望的。转换至全石墨放电加工有许多优点。能否成功转变，有赖原始设备制造商（OEM）和石墨制造商提供必需的知识和培训，以达到理想表现的效果。目前，许多模具厂现正转换为石墨加工，以缩短产品的交货期以增强在市场上的竞争力。石墨电极包括：（1）普通功率石墨电极。允许使用电流密度低于17A／厘米2的石墨电极，用于炼钢、炼硅、炼黄磷等的普通功率电炉。（2）抗氧化涂层石墨电极。表面涂覆一层抗氧化保护层的石墨电极，形成既能导电又耐高温氧化的保护层，降低炼钢时的电极消耗。（3）高功率石墨电极。允许使用电流密度为18～25A／厘米2的石墨电极，用于炼钢的高功率电弧炉。（4）超高功率石墨电极。允许使用电流密度大于25A／厘米2的石墨电极。用于超高功率炼钢电弧炉。（二）石墨阳极类主要以石油焦为原料，煤沥青作粘结剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、浸渍、石墨化、机加工而制成。一般用于电化学工业中电解设备的导电阳极。包括：（1）各种化工用阳极板。（2）各种阳极棒。（三）特种石墨类主要以优质石油焦为原料，煤沥青或合成树脂为粘结剂，经原料制备、配料、混捏、压片、粉碎、再混捏、成型、多次焙烧、多次侵渍、纯化及石墨化、机加工而制成。一般用于航天、电子、核工业部门。它包括光谱纯石墨，高纯、高强、高密以及热解石墨等。石墨有如下特性(1)耐高温性：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。(2)导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨呈绝热体。(3)润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。(4)化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。(5)可塑性：石墨的韧性很好，可碾成很薄的薄片。(6)抗热震性：石墨在高温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。（二）主要用途由于石墨具有上述的特殊性能，所以在冶金、机械、石油、化工、核工业、国防等领域得到广泛的应用，其主要用途为：(1)耐火材料：在冶炼工业中，用石墨制造石墨坩埚、作钢锭的保护剂、作冶炼炉内衬的镁碳砖。(2)导电材料：在电器工业中，广泛采用石墨作电极、电刷、电棒、碳管以及电视机显像管的涂料等。(3)耐磨材料和润滑剂：在许多机械设备中，用石墨作耐磨和润滑材料，可以在-200～2000℃温度范围内以100m/s的速度滑动，不用或少用润滑油。(4)密封材料：用柔性石墨作离心泵、水轮机、汽轮机和输送腐蚀介质的设备的活塞环垫圈、密封圈等。（四）石墨热交换器将人造石墨加工成所需要的形状，再用树脂浸渍和固化而制成的用于热交换的不透性石墨制品，它是以人造不透性石墨为基体加工而成的换热设备，主要用于化学工业。包括：（1）块孔式热交换器；（2）径向式热交换器；（3）降膜式热交换器；（4）列管式热交换器。（五）炭电极类以炭质材料如无烟煤和冶金焦（或石油焦）为原料、煤沥青为粘结剂，不经过石墨化，经压制成型而烧成的导电电极。它不适合熔炼高级合金钢的电炉。包括：（l）多灰电极（用无烟煤、冶金焦、沥青焦生产的电极）；（2）再生电极（用人造石墨、天然石墨生产的电极）；（3）炭电阻棒（即炭素格子砖）；（4）炭阳极（用石油焦生产的预焙阳极）；（5）焙烧电极毛坯。（六）炭块类以无烟煤、冶金焦为主要原料，煤沥青为粘结剂，经原料制备、配料、混粘、成型、焙烧、机加工而制成。其中高炉炭块作为耐高温抗腐蚀材料用于砌筑高炉内衬；底部炭块、侧部炭块、电炉块则用于铝电解槽和铁合金电炉等。包括：（1）高炉炭块；（2）铝槽炭块（底部炭块及侧部炭块）；（3）电炉炭块。（七）炭糊类以石油焦、无烟煤、冶金焦为主要原料，煤沥青为粘结剂而制成。有的用于各种连续自焙电炉作为导电电极使用的电极糊；有的用于连续自焙式铝槽作为导电阳极使用的阳极糊；有的用于高炉砌筑的填料和耐火泥浆的粗缝糊和细缝糊。高炉用自焙炭块虽用途不同，但和糊类制品的生产工艺相仿，暂归在糊类制品内。包括：（1）阳极糊；（2）电极糊（包括标准、非标准电极糊）；（3）底糊（包括多灰、少灰底糊）；（4）密闭糊（包括多灰、少灰密闭糊）；（5）其它糊（包括粗缝糊、细缝糊、自焙炭砖等）。（八）非标准炭、石墨制品类这是指用炭、石墨制品经过进一步加工而改制成的各种异型炭、石墨制品。包括铲型阳极、制氟阳极以及各种规格的坩埚、板、棒、块等异型品。（九）不透性石墨类这是指经树脂及各种有机物浸渍、加工而制成的各种石墨异型品，包括热交换器的基体块。（十）电炭产品类这是指炭精棒、电刷等产品。二、炭素纤维它包括各种炭纤维、石墨纤维、预氧丝、炭布、炭带、炭绳、炭毡及其复合材料。其中炭纤维为含碳量高于93％的纤维。用聚丙烯睛纤维、粘胶丝和沥青纤维经碳化制成。热处理温度由低至高，可分别制成耐热纤维、碳化纤维和石墨纤维。