炭素制品理化性能下课件

炭素制品的物理化学性能（下）

炭素制品生产技术系列讲座-218.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。2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℃。3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5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

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石墨电极

(用普通石油焦生产)400

3.25

4.15────────────────────────────

超高功率石墨电极用石油系针状焦生产500

1.5

400

1.7

用沥青针状焦生产400

1.3

3.0━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

半石墨质高炉炭块4.0（测定温度为20~900℃）6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。79.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。9抗热震性的计算公式抗热震性用抗热震准值（R）表示：

R＝λS/αE式中λ＝材料的热导率；

S＝抗拉强度；

α＝线膨胀系数；

E＝弹性模量。10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。11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1310.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。14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%15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。1711.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（%）。18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＋2H219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

21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(%)。22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。2312.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。25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