碳质耐火材料的性能与应用优化

1.概述

碳质耐火材料包括石墨、废石墨电极、废石墨坩埚碾碎成的颗粒，以及冲天炉打炉后未烧掉的焦炭碾碎成的颗粒。碳质砂为中性材料，具有以下特点：化学活性低，在缺乏空气流中加热十分稳定，不为金属液及其氧化物所浸润；耐火度高，如天然鳞片石墨熔点高达3000℃以上，一般工业用石墨约2100℃；热导率高，热容量大，热膨胀系数非常低。

碳质砂特别适用于做高温下易氧化的钛合金和各种非铁合金铸造用砂，也可以用于铁质金属铸造。鳞片石墨和无定形（土状）石墨还可用于配制铸造用涂料。

2.石墨

（1）石墨的基本性质 石墨一般呈鳞片状、致密晶质和隐晶质的集合体产出。鳞片状石墨具有重要的工业价值，虽然这种石墨在矿石中含量低，仅为百分之几，呈星散分布，但其鳞片直径一般大于0.1mm，巨鳞片质纯，具有高度的润滑性、耐高温和化学稳定性。它的可选性好，经浮选后含碳的质量分数可达85%以上。致密晶质石墨也称块状石墨，其晶体一般较小，直径多在0.001～0.1mm，排布杂乱，在矿石中的含量较高。隐晶质石墨的晶体小于1μm，只有在电子显微镜下才能看到石墨晶形。集合体呈致密块状，润滑性小，一般没有光泽或光泽较暗，外表呈土状，所以也称为土状石墨。这种石墨在矿石中的含量很高，一般其质量分数为60%～80%，少数可达90%以上。但是这种石墨的可选性差，工业上一般将其研磨后直接使用。

石墨呈铁黑色至钢灰色，隐晶集合体呈土状者光泽暗淡，不透明。石墨是最软的矿物之一，莫氏硬度为1～2级，有滑腻感，易污染手指，密度为2.09～2.23g/cm³，具良好的导电性和导热性。

石墨是单质矿物，但是天然石墨纯净者很少，除碳外，常含有大量的（有时质量分数达10%～20%）其他成分，如SiO₂、Al₂O₃、FeO、MgO、CaO、P₂O₅、CuO等混入物，有时含有H₂O、沥青、黏土等。

（2）石墨的技术条件 鳞片状石墨按固定碳含量高低分为高碳石墨[w（C）=94.0%～99.0%]、中碳石墨[w（C）=80.0%～93.0%]和低碳石墨[w（C）=50.0%～79.0%]。铸造行业使用的多为中碳石墨。中碳石墨和低碳石墨的技术要求分别见表2-77和表2-78。

表2-77 中碳石墨技术要求（GB/T 3518—2008）

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注：无挥发分要求的石墨，固定碳含量的测定可以不测挥发分。

表2-78 低碳石墨技术要求（GB/T 3518—2008）

铸造用无定形（土状）石墨粉按GB/T 3519—2008《微晶石墨》规定分为两类，有铁要求者为一类，用WT表示；无铁要求者为另一类，用W表示。产品代号由分类代号、固定碳含量最大粒径组成。例如，W90-45表示无铁要求的、碳的质量分数为90%、最大粒径为45μm的微晶石墨。铸造行业使用的微晶石墨大多对铁无特别要求。无铁要求的微晶石墨的技术要求见表2-79。

表2-79 无铁要求的微晶石墨技术要求（GB/T 3519—2008）