炭素制品理化性能(下).ppt

1 炭素制品的物理化学性能 下 炭素制品生产技术系列讲座 2 李圣华 2 8 热膨胀系数 定义 热膨胀系数分线膨胀系数和体积膨胀系数两种 一般测定线膨胀系数 即材料受热后某一特定方向膨胀程度的度量 称为材料该方向的线膨胀系数 与许多金属材料相比 炭素制品的热膨胀系数是较低的 石墨制品的热膨胀系数比炭质制品低 热膨胀系数的英文字母缩写为CTE 3 热膨胀系数测试方法 中国测定石墨电极的热膨胀系数的标准方法 GB3074 4 82 为使用石英示差膨胀仪测定 主要由膨胀计 加热炉和测温系统三部分组成 经过精确加工的中孔试料棒固定在石英试料托及石英支承管之间 一根石英拉杆穿过试料棒的孔 石英拉杆顶部通过浮动托与千分表相接触 再将上述组成的膨胀测试装置放入加热炉内 在指定的温度范围内加热 石墨试料棒的膨胀量可由千分表读得 石墨电极热膨胀系数的中国标准测试温度范围规定为100 600 国外有的将温度范围定为30 100 或30 130 4 热膨胀系数的计算公式 测试结果的计算公式如下 L2 L1 K L0 0 618 10 6 式中 试料在温度100 600 范围的热膨胀系数 10 6 L0 试样在室温时的长度 mm L1 试样在100 时的膨胀量mm L2 试样在600 时的膨胀量mm K 膨胀计的放大倍数 0 618 10 6 石英在100 600 温度范围内的平均热膨胀系数 5 石英示差膨胀仪示意图1 千分表 2 千分表架 3 弹簧 4 石英支承管 5 浮动托 6 底座7 石英拉杆 8 石英外套 9 石墨电极试样 10 石英试料托 6 炭素制品的热膨胀系数举例 石墨电极的热膨胀系数 100 600 举例 产品名称电极热膨胀系数 10 6 直径 mm平行挤压方向垂直挤压方向 石墨电极 用普通石油焦生产 4003 254 15 超高功率石墨电极用石油系针状焦生产5001 54001 7用沥青针状焦生产4001 33 0 半石墨质高炉炭块4 0 测定温度为20 900 7 不同测定温度数据的换算 美国和日本的针焦厂和炭素厂测定针焦和石墨电极的热膨胀系数的温度范围有的为30 100 有的为30 130 炭石墨材料的热膨胀系数随测定温度范围的提高而上升 但有一定规律性 如以20 100 间测定的热膨胀系数为基础 只要加上一个附加数 即可得出不同温度下的热膨胀系数 8 影响石墨电极热膨胀系数的因素 1 与原料有关 2 与配方的粒度组成有关 配方采用的大颗粒尺寸较大 相对热膨胀系数下降 3 与浸渍及体积密度提高有关 浸渍次数增加 体积密度上升而热膨胀系数提高 4 与石墨化温度有关 温度高则成品的热膨胀系数下降 9 9 抗热震性 定义 炭素制品在高温下使用时经受剧烈的温度变化而不被破坏的性能 产生热应力的因素 线膨胀系数 CTE越小 在其他指标相同的条件下抗热震性提高 缓冲热应力的因素 弹性模量 弹性模量越大 抗热震性能越差 抵抗热应力的因素 抗拉强度 抗拉强度越低 抗热震性能下降 10 抗热震性的计算公式 抗热震性用抗热震准值 R 表示 R S E式中 材料的热导率 S 抗拉强度 线膨胀系数 E 弹性模量 11 提高炭素制品的抗热震性能必须综合考虑各项物理指标 首先是选择CTE较小的原料 增加浸渍次数可以提高机械强度 但同时应提高最后一次的热处理温度 炭质制品的焙烧温度 石墨制品的石墨化温度 以提高成品的热导率和降低CTE 石墨电极的热导率被比热容和体积密度相除得到新指标 温度传导系数 在其他指标相同时 温度传导系数越高 产生的热应力越小 12 抗热震性能的测试 对各向异性的石墨电极直接测试抗热震性能并非易事 经研究发现 只要测出裂纹扩展的起始电功率或开始加热到裂纹刚刚形成所需的时间 断裂时间 即可间接测量石墨电极的抗热震性能 国外一些研究机构设计了多种特殊的仪器进行测定 如电加热法 电弧放电加热法 高频感应加热法等 13 电加热法测定抗热震性装置示意图 1 电极试样 2 导电电线 3 水冷却器 4 重物 5 电源变压器 5 降压变压器6 降压变压器 7 电压表 8 分路器 9 热电偶 10 制图仪 11 压电换能器 12 放大装置 13 温差电堆 14 致冷器 14 10 灰分 定义 灰分即炭质原料或炭素制品的试样经一定高温灼烧后残留下的金属和非金属元素及其化合物 一般是氧化物 测定灼烧的温度和时间 中国测定标准为在850 20 的高温炉中 灼烧3小时 冷却至室温再称量 15 各种炭质原料的灰分指标举例 普通石油焦0 3 1 0 针状焦0 3 0 5 沥青焦0 3 0 5 普通无烟煤10 20 优质无烟煤6 8 冶金焦12 15 煤沥青0 3 0 5 16 各种炭素制品的灰分指标举例 普通功率石墨电极0 3 1 0 超高功率石墨电极0 3 0 5 预焙阳极0 5 1 0 炭质电极4 0 8 0 铝用炭块6 0 8 0 阳极糊0 5 1 0 电极糊5 0 11 0 17 与炭素制品灰分含量有关的其他因素 在石墨电极的配方中加入氧化铁粉会增加成品灰分 但对炼钢没有影响 石墨化温度越高 成品的灰分越低 对高纯石墨而言 成品灰分数量与石墨化时通入的净化气体的数量以及通气工艺条件有关 生产炭质制品加入石墨化碎代替高灰分的原料 可降低成品灰分 18 11 炭素材料的氧化性与抗氧化 定义 氧化性是指试样在某一温度下每克每小时氧化损失的毫克数 开始氧化温度为在该温度下氧化24小时后损失的毫克数 开始氧化温度越高和在该温度下经过24小时的中连续氧化损失的数量越少说明这种材料的抗氧化性能越好 中国标准测定温度为650 1 氧化从表面开始 氧化导致表面结构疏松 并使表面的少量炭质颗粒掉落 这时的失重不仅是氧化损失 也包括掉粒的损失 统称为氧化重量损失 19 石墨质和炭质材料的氧化性和氧化速度 炭质或石墨质材料在一定温度下与周围的空气产生氧化反应是不可避免的 炭的开始氧化温度约350 石墨材料约在450 左右开始氧化反应 反应式如下 C O2 CO2 在较低温度下 C 0 5O2 CO 在较高温度下 赤热时与水蒸汽的反应 C H2O CO H2 700 左右 C 2H2O CO2 2H2 20 石墨电极的抗氧化性 石墨电极主要用于电炉炼钢 在高温氧化气氛中作为导电电极使用 氧化是石墨电极在电炉上消耗的主要原因 测定石墨电极的氧化性能有助于了解石墨电极的质量 氧化性是指石墨电极试样在某一温度下每克每小时氧化损失的毫克数 开始氧化温度的含义为在该温度下氧化24小时后失重1 中国测定石墨电极氧化性的标准方法是热失重法 GB3074 3 82 图3为测定石墨电极氧化性的仪器装置示意图 试样直径为26mm 长度为50mm 测定温度为650 1 测定时间为4小时 21 氧化性测定装置示意图 1 万分之一天平挂钩 2 热电偶 3 石墨盖 4 石英管 5 铂丝 6 水泥石墨板 7 电热丝 8 氧化铝管 9 试样 10 炉壳 11 不锈钢皿 12 带孔玻璃漏斗 13 转子流量计 14 高纯氮气 15 鼓风机 16 保温料 22 石墨电极的抗氧化性 温度越高或氧化时间越长 氧化失重越大 氧化从石墨电极表面开始 氧化导致表面结构疏松 并使表面上少量的石墨颗粒掉落 这时失重不仅是氧化失重 也包括石墨颗粒掉落的重量 统称为氧化重量损失 23 铝用预焙阳极的抗氧化性 预焙阳极 炭阳极 在铝电解槽中参与氧化铝的电化学反应 同时与周围的CO2及空气产生氧化反应 增加了消耗 理论上每吨铝消耗炭阳极330公斤 实际上要消耗400 440公斤 因此国外生产的炭阳极要测定空气中氧化速度及在CO2中的氧化度 脱落度 掉渣 通过提高焙烧最终温度 改进配方 用大颗粒配方 等措施可减少炭阳极的单耗 24 影响炭材料抗氧化性的各种因素 各种炭质原料或石墨电极的氧化性与他们的热处理温度 杂质含量 晶格结构的完善程度 孔隙率的多少等因素有关 炭质原料或石墨电极的最终热处理温度越高 则其开始氧化温度越高 杂质元素如铁 钙 钒 钠都有加速氧化的触媒作用 原料或成品的孔隙率越大则氧化速度加快 在一定条件下碳元素和氢 氯 氟 硫等元素也会起化学反应 25 12 铝用阴极炭块的电解试验 定义 铝用阴极炭块的电解试验测定两个项目 1 破损系数 破损系数即阴极炭块试样在电解时浸入电解质的体积与试样原有的孔隙体积的比值 2 试样直径膨胀率 电解时试样直径膨胀 测定电解前后直径经计算得出直径膨胀率 26 破损系数的测定 破损系数在一定程度上可以预示炭块的使用寿命 质量较好 寿命较长的阴极炭块的破损系数为1 0左右 测量破损系数的方法是将阴极炭块试样作为阴极 悬挂在电解质中进行电解 经2h后取出 分析其灰分变化 即吸收电解质的数量 按下式计算破损系数Kp Kp Ap dk 2 P式中A