石墨化培训教材初稿

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1、石墨化碳在自然界是一种很普遍，为人们所熟悉的元素，化学符号为C，原子序数6，原子量12，元素周期表Ⅳ主族，在地壳中的含量大约为0.027％，大气中约含有0.03％（体积）的碳化合物（二氧化碳等）。碳的化合物有数十万种，它所形成的化合物比其它任何一种元素都多。在已知的全部化合物中，碳的化合物占90％以上。碳在自然界中分布十分广泛，其存在形式常以游离状态和碳的化合物状态而存在。以游离状态存在的单质碳有：金刚石、天然石墨、煤炭。金刚石和天然石墨是晶态单质碳在自然界中的两种同素异型体，煤是天然存在的无定形碳的集合体。用做人造石墨的各种原料多来源于碳的化合物（碳

2、氢化合物），碳氢化合物是一种稠环高分子化合物，随着温度的升高，当排除杂质和完成缩聚过程之后，就会碳化成为六角碳原子的平面网格，温度进一步提高，热处理温度提高到2300℃以上时，碳就转变成了石墨。其晶格常数接近天然石墨。无定形碳的石墨化是一种固化反应，其原子迁移，结构重排的阻力很大，这就使得石墨化工艺是一种高能耗工艺。一八九五年，艾契逊发明了艾契逊式石墨化工艺，为石墨化工艺奠定了基础，十九世纪末，美国人卡斯特纳发明了内热串接石墨化。为节约能源，降低电消耗开辟了新途径。使石墨化工艺有了新的突破。但内热串接的大规模工业生产却是在二十世纪七十年代以后。就目前来

3、说，艾契逊式石墨化工艺仍然占主导地位。一百多年来，人们通过对石墨化机理的研究，提出了石墨化转化假说。通过艾契逊式石墨化工艺多年的实际生产，积累了丰富经验。同时，随着科学技术的发展，电炉炼钢工艺技术和装备的不断提高，对石墨制品允许承载的功率负荷提出更高要求，同时对石墨制品的内在品质指标提出了更高的要求，为此而产生了高功率电极和超高功率电极。近年来又开拓了航天，核工业等新的工业领域，本篇主要介绍石墨化的一般理论，艾契逊式石墨化的生产工艺及相关设备，并简要介绍内串石墨化及高纯石墨生产一般知识。第一节概述石墨化需要2300℃以上的高温热处理，这就决定了除电加热

4、外，其它类型的加热方式很难达到石墨化目的，如天燃气、煤气等的明火温度才仅仅1600℃左右，所以，采用“外热源”加热制品的炉型无法使制品实现石墨化。因此，石墨化炉是采用制品做“内热源”的电阻炉，石墨化的生产运行都是紧紧围绕石墨化炉来进行的。一、电能转化成热能的基本原理导体本身都具有一定的电阻，当电流通过时，导体就会发热。通过的电流越大，产生的热量越多，通过同样的电流强度，电阻大的导体产生的热量比电阻小的导体产生的热量多。焦耳定律表述了这一电能转换为热能的规律：电流通过导体时所产生的热量与通过的电流平方、导体本身电阻以及通电时间成正比，其数学表达式为：Q＝

5、I2Rt式中：Q－热量（焦耳）I－电流（安培）R－导体电阻（欧姆）。T－通电时间（秒）石墨化炉在运行中，炉阻，电流、电压都在不断地改变，因此，实际计算应采用下式：Q=I2Rdt=dt式中－平均功率二、石墨化概念石墨化就是使六角碳原子平面网格从二维空间的无序重迭转变为三维空间的有序重迭，并具有石墨结构的高温热处理过程（一般需要2300℃以上）。图1-1石墨化晶格转变示意图三、石墨化目的焙烧品和石墨化品的最主要差别在于碳原子和碳原子之间的晶格排列顺序和程度上存在着差异，焙烧品的碳原子排列属于“二维无序重迭”，而石墨化品则属于“三维有序重迭”，并具有石墨结构

6、。内部微观结构的不同，导致它们在宏观表现的理化性质亦不同。表1-1焙烧品和石墨化品理化指标对比项目焙烧品石墨化品电阻率µΩm30-504-10真密度g/cm32.00-2.082.20-2.24体积密度g/cm31.50-1.651.50-1.68抗压强度MPa25-3516-30孔度％20-2525-30灰分％0.50.3导热性W/(m.k)3.6-6.7175℃-675℃175-675℃74.5150℃-300℃热膨胀系数1/℃1.6-4.5×10-620℃-500℃1.1-2.6×10-620℃-500℃开始氧化温度℃450-550600-700

7、从表中可以看出，焙烧品经石墨化后，电阻率降低5-10倍，真密度提高约10％，导热性提高约10倍，热膨胀系数降低约1倍，开始氧化温度提高，杂质气化逸出，机械强度有所降低，由此看来，炭素制品在隔绝空气的条件下，经过2300℃以上的高温处理，可以达到下列目的：(1)提高产品的电、热传导性。(2)提高产品的抗热冲击性和化学稳定性。(3)使产品具有润滑性、抗磨性。(4)排除杂质、提高纯度。四、影响石墨化的因素1、原料由于含碳物质原来的化学组成、分子结构的不同，碳化后这些原子团的聚集状态也不一样。易石墨化的程度也就不同。一般以内部结构是平行定向堆积，还是杂乱交错堆

8、积来区分原料石墨化的难易程度。例如象无烟煤、石油焦、针状焦、利用中间相小球体制造成的定向焦等，