高炭化学及碳材料工程基础.ppt

参考书籍 钱湛芬主编：炭素工艺学，冶金工业出版社，1996 许斌、王金铎编著：炭材料生产技术600问，2006 石墨（Graphite) 金刚石（Diamond) 炭刷（carbon brush) 炭阳极（Carbon anode) 石墨电极（Graphite electrode) 热解炭（ pyrolytic carbon） 炭纤维（Carbon fiber) 针状焦（Needle coke) 按使用功能分类 (1)导电材料。如电弧炉用石墨电极、铝电解用炭阳极、电极糊、电解用石墨阳极、电刷及电火花加工用模具材料等； (2)结构材料。如炼铁炉、铁合金炉、电石炉、铝电解槽等的炉衬，核反应堆的减速材料和反射材料，火箭或导弹的头部或喷管内衬材料，化学工业的耐腐蚀设备，机械工业的耐磨材料，钢铁及有色金属冶炼工业连铸用的结晶器石墨内衬，半导体及高纯材料冶炼用器件等； (3)特殊功能材料。如生物炭(人造心脏瓣膜、人工骨、人工肌腱)、各种类型热解炭和热解石墨、再结晶石墨、炭纤维及其复合材料、石墨层间化合物、富勒族碳、纳米碳和石墨烯等。 石墨电极 高炉微孔炭砖 炭块 电极糊 特炭 炭纤维 炭毡 人工心脏瓣膜 石墨电极（Graphite electrode) (1)用于电弧炼钢炉。我国电炉钢产量约占粗钢产量的18%左右，炼钢用石墨电极占石墨电极总用量的70%～80%。电炉炼钢是利用石墨电极向炉内导入电流，利用电极端部和炉料之间引发电弧所产生的高温热源来进行冶炼。目前国内每吨电炉钢的石墨电极单耗为1.5～6kg。 (2)用于矿热电炉。矿热电炉主要用于生产工业硅和黄磷等，其特点是导电电极的下部埋在炉料中，在料层内形成电弧，并利用炉料自身的电阻所发出的热能来加热炉料，其中要求电流密度较高的矿热电炉需用石墨电极，例如每生产1t硅需消耗石墨电极约100 kg，每生产1t黄磷需消耗石墨电极约40kg。 (3)用于电阻炉。生产石墨制品的石墨化炉、熔化玻璃的熔窑和生产碳化硅用的电炉等都属于电阻炉，炉内所装物料既是发热电阻又是被加热对象。 (4)用于制备异型石墨产品。石墨电极的毛坯还用于加工成各种坩埚、模具、舟皿和发热体等异型石墨产品。例如，在石英玻璃行业，每生产1t电熔管，需用石墨电极坯料10t；每生产1t石英砖，需消耗石墨电极坯料100kg。 石墨电极分类 按每吨炉容的变压器容量划分，可将电弧炼钢炉分为普通功率电炉(每吨炉容300kV·A左右)、高功率电炉(每吨炉容400kV·A左右)、超高功率电炉(每吨炉容500～1200kV·A)。根据电炉炼钢电功率水平的分级，并依据生产电极所用原料的不同和成品电极理化指标的区别，相应将石墨电极分为三个品种：普通功率石墨电极(RP)、高功率石墨电极(HP)和超高功率石墨电极(UHP)。普通功率石墨电极允许的电流密度为13～18A/cm2；高功率石墨电极允许的电流密度为15～24A/cm2；超高功率石墨电极允许的电流密度为18～30A/cm2。 炭阳极（Carbon anode) 炭阳极是铝电解槽的阳极导电材料。 炭阳极一般为长方体，其尺寸大小根据电解槽的容量和电流密度而定，例如，某种类型炭阳极尺寸为1450×660×540mm，每块重达750～800kg。 在炭阳极导电方向的上表面有2～4个直径为160～180mm、深为80～110mm的圆槽(俗称炭碗)，在阳极组装时，炭碗用来安放阳极爪头，通过磷生铁浇注，使阳极导杆与炭阳极炭块连为一体，组成阳极炭块组。 铝电解时通过炭阳极的电流密度一般为0.70～0.90A/cm2。阳极在使用过程中逐渐消耗，其使用周期为20～28天。 炭阳极 炭阳极 炭阳极在铝电解槽中的作用有两个：一是作为导电材料，炭阳极安装在铝电解槽的上部，强大的直流电(60～500kA)通过炭阳极导入电解槽中，二是参与阳极电化学反应，即炭阳极底部接触熔融电解液的部位发生分解氧化铝的阳极反应，生产1t电解铝需消耗炭阳极总量(包括残极)为450～600kg。 炭阳极的消耗 (1)电化学消耗。炭阳极的大部分消耗直接由电化学反应引起，其反应式为2Al2O3＋3C＝4Al＋3CO2, 或Al2O3＋3C＝2Al＋3CO。当阳极气体中CO占30%时，理论计算的炭阳极消耗量为393kg/t。 (2)化学消耗。包括炭阳极与CO和CO2的反应以及阳极的空气氧化反应(主要发生在阳极暴露在空气中的部位) (3)机械消耗。由于黏结焦的优先氧化，所以骨料与黏结焦间的结合力变弱，骨料颗粒从阳极上脱落而掉入电解质中，炭阳极表面显得更加粗糙。 金刚石结构 微晶尺寸的测定 X射线衍射XRD（X-ray diffraction) Bragg公式：nλ＝2d sinθ ①已知λ 测θ