[科普中国]-碳质耐火材料

定义

碳质耐火材料（carbon refractory）其主要特点是含固定炭80%以上，无烧结性和明显烧结收缩有机结合剂热解反应形成的碳网络，使炭素颗粒和炭素基质结合。这类耐火材料包括以无烟煤或焦炭为主要成分的炭砖和经过石墨化得人造石墨质和半石墨质砖。

简介以碳质耐火材料为主要组分的耐火材料。品种有碳砖、石墨制品、浸渍碳质制品(或称不透性碳质制品)、碳化硅碳质制品(或称碳质碳化硅制品)、黏土结合碳质制品等。还可将碳质材料与高铝质、镁铝尖晶石、碱性材料配合，制成含碳的复合制品，称含碳耐火材料。也可用碳质原料制成捣打料和耐火泥。其热膨胀系数低、导热性高、抗热震性好、高温强度高、耐侵蚀性和抗渣性极好，质量轻，是优质的耐火材料。

常用焦炭、石墨或经过热处理的无烟煤为原料，以焦油、沥青和含碳较高的有机物以及黏土质耐火材料作为结合剂而制成。碳砖或碳块可用作高炉炉底、炉缸、炉身下部的炉衬以及出铁槽。石墨制品可用作化学工业的反应槽、贮槽和高压釜的内衬。碳化硅石墨制品除用作高炉炉底、炉衬等之外，还可用作铸锭用砖；也可制成熔炼铜合金等用的坩埚。黏土石墨制品可用作坩埚、塞头和水口砖。特殊石墨制品可作超硬合金和高熔点物质的热压压模，以及等离子发生器和喷气发动机构造材料。碳质不定形耐火材料，可与碳质内衬材料配合使用。这种材料的缺点是在高温下易氧化，故不宜在氧化气氛下使用。

结构由于碳质和石墨质耐火材料全由单一的元素碳组成，故可通过晶体结构来区分它们。通常碳质耐火材料没有边界良好的晶体结构，可认为是无定形的，这依赖于最初所用的原材料和生产过程所能达到的温度。石墨结构是被熟知的，图2显示的是一种平面结构，这种平面结构是一种无限大的二维碳原子排列，上述碳原子位于一个巨大的、类似苯环分子结构的六边形网络中。正如所示的原子间距离为0.142nm那样，平面中的碳-碳结合(共价键结合)作用是相当强的;而平面间距为0.304nm，平面间的结合力(范德华力)微弱。所以石墨具有层状结构，并且由于成型处理时微晶排列导致石墨会出现鳞片剥落或微晶择优取向，也就是平面结构会产生各向异性。

含碳材料为了某种应用，石墨和碳也被与其它耐火材料混合使用以形成一种合适的复合材料。可看到添加碳的重要性，即加人碳后渗透深度减小从而损坏减轻，同样在不烧砖的结合过程也可看到添加碳的重要性。另外，通过提高导热率和降低热膨胀改善了抗热震性。在焦炭操作状态下不烧砖内结合是基于以下原理:焦炭网络与耐火材料粒子的粘附，同时还有焦炭网络内的部分原子直接结合、负价结合和范德华力。渗透深度发生实质性变化:从数厘米变为数毫米，因而砖的损坏机理也出现重大变化。1

生产方法普遍存在的碳质和石墨质耐火材料有石墨、木炭、石油焦、焦油沥青、人工石墨、煤焦炭、气体媲烧的无烟煤、用电媛烧的无烟煤。焦油沥清、石油沥青和其它有机材料常被用作结合剂。把原材料准备好、磨碎、过筛、分类,根据设定的性能值进行混合配料；依据结合方式的不同把料加热到接近160℃,与结合剂混合得到所谓的坯体料或坯体混合物,下一步成型混合物。使用真空振动设备、压模成型机具、挤压成型机具、等静压机和捣打设备把上述混合料成型为理想的形状。经过所谓坯体成型后,下一步工序就是进行接近120℃的烧成处理。结合剂转化为焦炭。采用与结合剂成分相似的填充剂浸渍填充,可以实现机体致密和结合紧密的目的。进一步的烧成处理时,进人气孔的填充剂也转化成了焦炭。1

理化性能因为碳或石墨与熔融金属之间的界面张力小，故大多数熔融材料不能润湿碳和石墨。它们具有极好的抗热震性能，同时当被加热时它们的强度增加。2500℃时石墨的抗拉强度约是室温时抗拉强度的两倍，它在室温时的抗拉强度是每平方英寸2000磅。有一个范围，在这个范围内碳和石墨的导电率、导热率、低膨胀系数等性能从较好变为极好。它们的抗热震性足够满足常规应用。尽管炭块具有好的导热率、抗热震性能，但在高于40℃的氧化性气氛下，它易于受到氧气、水蒸汽的侵蚀，故它的使用受到限制。1

应用由于石墨和碳砖耐火材料的性能，还原性气氛中应用它是一个强有力的一竞争者。高炉使用适当数量的碳砖和石墨砖，特别是在其炉缸部位;但碳砖和石墨砖也可应用于炉腰部位和其它地方，如出铁口处。

随着水冷炉壁的采用，料钟内部也采用碳砖砌筑。由于石墨具有良好的导电性，在电炉中它被用来制造产生电弧的电极。石墨很容易进行机加工，因而可被从其原材料加工成棒形、平板形、圆柱形等复杂形状。为完成电炉温度下的还原处理，采用了含各种石墨添加剂的碳电极。在这些电炉中，特别是其底部采用碳砖来砌衬。碳砖也用来砌筑生产磷酸的箱体内衬，这是因为碳砖对酸有很好的抵抗性。耐磨性好的石墨薄片也被用来作生产熔铸刚玉砖的定形砖。

必须指出的是，并没有碳质和石墨耐火材料的国际标准，其性能仅由制造商根据用户的要求来确定。1